Отримання біогазу

Біогаз складається в основному з метану (вміст від 50 до 85%), вуглекислого газу (вміст від 15 до 50%) та інших газів в набагато меншому процентному співвідношенні. Біогаз виробляє команда з трьох видів бактерій, що харчуються біомасою: гідролізні бактерії, що виробляють їжу для кислотоутворюючих бактерій, які в свою чергу забезпечують їжею метаноутворюючі бактерії, що формують біогаз.

Ферментація вихідного органічного матеріалу (наприклад, гною), продуктом якого і буде біогаз, проходить без доступу зовнішньої атмосфери і називається анаеробною. Інший продукт такої ферментації – компостний перегній – добре відомий сільським жителям, які застосовують його як добриво для полів і городів, а ось вироблені в компостних купах біогаз і теплова енергія, зазвичай не використовуються – і дарма!

Біогаз- це

Сировина для отримання біогазу

Перелік органічних відходів, придатних для виробництва біогазу: гній, пташиний послід, післяспиртова барда, відходи пивного виробництва, буряковий жом, фекальні осади, відходи рибного і забійного цеху (кров, жир, кишки), трава, побутові відходи, відходи молокозаводів - солона і солодка молочна сироватка, відходи виробництва біодизеля - технічний гліцерин від виробництва біодизеля з ріпаку, відходи від виробництва соків - жом фруктовий, ягідний, овочевий, виноградна вижимка, водорості, відходи виробництва крохмалю і патоки - мезга і сироп, відходи переробки картоплі, виробництва чіпсів - шкурки, гнилі бульби, кавова пульпа. Крім відходів біогаз можна виробляти зі спеціально вирощених енергетичних культур, наприклад, з силосної кукурудзи або сильфія, а також водоростей. Вихід газу може сягати до 300 м³ з 1 тонни. Вихід біогазу залежить від вмісту сухої речовини і виду використовуваної сировини. З тонни гною великої рогатої худоби виходить 50-65 м³ біогазу з вмістом метану 60%, 150-500 м³ біогазу з різних видів рослин з вмістом метану до 70%. Максимальна кількість біогазу - це 1300 м ³ з вмістом метану до 87% - можна отримати з жиру. Розрізняють теоретичний (фізично можливий) і технічно-реалізований вихід газу. В 1950-70-х роках технічно можливий вихід газу становив усього 20-30% від теоретичного. Сьогодні застосування ензимів, бустерів для штучної деградації сировини (наприклад, ультразвукових або рідинних кавітаторів) та інших пристосувань дозволяє збільшувати вихід біогазу на звичайнісінькій установці з 60% до 95%. В біогазових розрахунках використовується поняття сухої речовини (СВ або англійське TS) або сухого залишку (СЗ). Вода, що міститься в біомасі, не дає газу. На практиці з 1 кг сухої речовини отримують від 300 до 500 літрів біогазу. Щоб порахувати вихід біогазу з конкретної сировини, необхідно провести лабораторні випробування або подивитися довідкові дані і визначити вміст жирів, білків і вуглеводів. При визначенні останніх важливо дізнатися процентний вміст речовин, що швидко розкладаються (фруктоза, цукор, сахароза, крохмаль) і речовин, що важко розкладаються (наприклад, целюлоза, геміцелюлоза, лігнін). Визначивши вміст речовин, можна порахувати вихід газу для кожної речовини окремо і потім скласти. Раніше, коли не було науки про біогаз і біогаз асоціювався з гноєм, застосовували поняття «тваринної одиниці». Сьогодні, коли біогаз навчилися отримувати з довільної органічної сировини, це поняття зникло і перестало використовуватися.

Екологія

Виробництво біогазу дозволяє запобігати викидам метану в атмосферу. Метан впливає на парниковий ефект в 21 раз сильніше, ніж СО2, і знаходиться в атмосфері 12 років. Уловлювання метану - найкращий короткостроковий спосіб запобігання глобального потепління. Перероблений гній, барда та інші відходи застосовуються як добрива в сільському господарстві. Це дозволяє знизити застосування хімічних добрив, скорочується навантаження на ґрунтові води.

Виробництво біогазу

Існують промислові та кустарні установки. Промислові установки відрізняються від кустарних наявністю механізації, систем підігріву, гомогенізації, автоматики. Найбільш поширений промисловий метод - анаеробне зброджування в метантанках.

Хороша біогазова установка повинна мати такі частини:

• Ємність гомогенізації

• Завантажувач твердої (рідкої) сировини

• Реактор

• Мішалки

• Газгольдер

• Система змішування води і опалення

• Газова система

• Насосна станція

• Сепаратор

• Прилади контролю

• Система безпеки

Принцип роботи установки

Біомаса (відходи або зелена маса) періодично подаються за допомогою насосної станції або завантажувача в реактор. Реактор являє собою резервуар, який підігрівається і є утепленим, обладнаний міксерами. Будматеріалом для промислового резервуара найчастіше служить залізобетон або сталь з покриттям. У малих установках іноді використовуються композицітні матеріали. В реакторі живуть корисні бактерії, що живляться біомасою. Продуктом життєдіяльності бактерій є біогаз. Для підтримки життя бактерій потрібна подача корму, підігрів до 35-38 °С і періодичне перемішування. Утворений біогаз скупчується в сховищі (газгольдері), потім проходить систему очищення і подається до споживачів (в котел або електрогенератор). Реактор працює без доступу повітря. Він герметичний і безпечний. Для зброджування деяких видів сировини в чистому вигляді потрібна особлива технологія. Наприклад, спиртова барда переробляються з використанням хімічних добавок. Для кислої мелясної барди використовується луг. Можлива переробка цих же субстратів за одностадійною технологією без хімічних добавок, але при коферментації (змішуванні) з іншими видами сировини, наприклад, з гноєм або силосом.

Фактори, що впливають на процес бродіння

• Температура

• Вологість середовища

• Рівень рН

• Співвідношення C : N : P

• Площа поверхні частинок сировини

• Частота подачі субстрату

• Уповільнюючі речовини

• Стимулюючі добавки

Від яких факторів залежить вихід біогазу з більш високим вмістом метану?

Перш за все – від температури. Активність бактерій, ферментуючих органіку, тим вище, чим вище температура їхнього навколишнього середовища, при мінусових температурах ферментація сповільнюється або припиняється повністю. З цієї причини вироблення біогазу найбільше поширена в країнах Африки та Азії, розташованих у субтропіках і тропіках. У нашому кліматі отримання біогазу і повний перехід на нього, як на альтернативне паливо, потребує теплоізоляції біореактора і введення теплої води в масу органіки, коли температура зовнішньої атмосфери опускається нижче нульової позначки.

Органічний матеріал, що закладається в біореактор, повинен бути таким, що біологічно розкладається, в нього треба вводити значну кількість води – до 90% від маси органіки. Важливим моментом буде нейтральність органічного середовища, відсутність в його складі компонентів, що перешкоджають розвитку бактерій, начебто очищаючих та миючих речовин, будь-яких антибіотиків. Біогаз можна отримати практично з будь-яких відходів господарського та рослинного походження, стічних вод, гною і т.д.

Процес анаеробної ферментації органіки найкраще проходить, коли значення pH знаходиться в діапазоні 6,8-8,0. Велика кислотність сповільнить формування біогазу, тому бактерії будуть зайняті споживанням кислот і виробництвом вуглекислого газу, нейтралізуючого кислотність.

Співвідношення азоту і вуглецю в біореакторі необхідно розрахувати, як 1 до 30 – в цьому випадку бактерії отримають необхідну їм кількість вуглекислого газу, а вміст метану в біогазі буде найвищим.

Кращий вихід біогазу з досить високим вмістом метану досягається, якщо температура в ферментуючій органіці знаходиться в діапазоні 32-35° С, при більш низьких і більш високих значеннях температури в біогазі збільшується вміст двоокису вуглецю, його якість падає. Бактерії, що виробляють метан, поділяються на три групи: психрофільні – ефективні при температурах від +5 до +20° С; мезофільні – їх температурний режим від +30 до +42° С; термофільні – працюють в режимі від +54 до +56° С. Для споживача біогазу найбільший інтерес представляють мезофільні і термофільні бактерії, що ферментують органіку при більшому виході газу.

Мезофільна ферментація менш чутлива до змін температурного режиму на пару градусів від оптимального діапазону температур, вимагає менших витрат енергії на обігрів органічного матеріалу в біореакторі. Її мінуси, у порівнянні з термофільною ферментацією, в меншому виході газу, великим терміном повної переробки органічного субстрату (близько 25 днів). Розкладений в результаті органічний матеріал може містити шкідливу флору, тому невисока температура в біореакторі не забезпечує 100% стерильності.

Підйом і підтримка внутрішньореакторної температури на рівні, прийнятному для термофільних бактерій, забезпечить найбільший вихід біогазу, повна ферментація органіки пройде за 12 днів, продукти розкладання органічного субстрату повністю стерильні. Негативні характеристики: зміна температурного режиму на 2 градуси за межі прийнятного для термофільних бактерій діапазону знизить вихід газу; висока потреба в обігріві, як наслідок – значні витрати енергоносіїв.

Вміст біореактора необхідно перемішувати з періодичністю 2 рази за день, інакше на його поверхні утворюється кірка, яка створює перешкоду для біогазу. Крім її усунення, перемішування дозволяє вирівняти температуру і рівень кислотності всередині органічної маси.

В біореакторах безперервного циклу роботи найбільший вихід біогазу відбувається при одночасному вивантаженні органіки, що пройшла ферментацію і завантаженні обсягу нової органіки в кількості, рівній вивантажуючому обсягу. У біореактори невеликого обсягу, які зазвичай використовують в дачних господарствах, кожну добу потрібно витягти і ввести органіку в обсязі, приблизно рівному 5% від внутрішнього об'єму камери ферментації. Метанові бактерії проявляють свою життєдіяльність в межах температури 0-70ºС. Якщо температура вище - вони починають гинути, за винятком кількох штамів, які можуть жити при температурі середовища до 90°С. При мінусовій температурі вони виживають, але припиняють свою життєдіяльність. У літературі як нижню межу температури вказують 3-4°С.

Площа поверхні частинок сировини

Принциповим є те, що чим менші частинки субстрату, тим краще. Чим більша площа взаємодії для бактерій і чим більш волокнистий субстрат, тим легше і швидше бактеріям розкладати субстрат. Крім того, його простіше перемішувати, змішувати і підігрівати без утворення плаваючої кірки або осаду. Подрібнена сировина впливає на кількість виробленого газу через тривалість періоду бродіння. Чим коротше період бродіння, тим кращим повинен бути подрібнений матеріал. При досить тривалому періоді бродіння кількість виробленого газу знову збільшиться. При використанні подрібненого зерна цього вже вдалося досягти через 15 днів.

Застосування

Біогаз використовують як паливо для виробництва: електроенергії, тепла або пари, або в якості автомобільного палива. Біогазові установки можуть встановлюватися як очисні споруди на фермах, птахофабриках, спиртових заводах, цукрових заводах, м'ясокомбінатах. Біогазова установка може замінити ветеринарно-санітарний завод, тобто падаль може утилізуватися в біогаз замість виробництва м’ясо-кісткового борошна. Серед промислово розвинутих країн провідне місце у виробництві та використанні біогазу за відносними показниками належить Данії - біогаз займає до 18% в її загальному енергобалансі. За абсолютними показниками за кількістю середніх і великих установок провідне місце займає Німеччина - 8000 установок. У Західній Європі не менше половини всіх птахоферм опалюються біогазом.