Возможности производства биогаза

Правительство Дании предоставляет значительные налоговые льготы для производителей биогаза: около 20% капитальных инвестиций для централизованного биогаза и 30% для индивидуальных станций или установок. Суммарная годовая энергетическая мощность производителей биогаза Дании, получаемого из всех источников, в настоящее время составляет до 4ПДж. Планируется дальнейшее увеличение его производства до 6ПДж. В настоящее время в Дании эксплуатируются 18 биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн. т биомассы (75% отходов животноводства и 25% других органических отходов), давая до 45 млн. м³ биогаза, что эквивалентно 24 млн. м³ природного газа.

В фермерских хозяйствах Европы и Канады распространены установки производительностью до 100, 200 м³ биогаза в сутки, что обеспечивает хозяйство тепловой энергией летом на 100%, зимой - на 30-50%.

В настоящее время в Китае эксплуатируются более 5 млн. семейных биогазовых реакторов (ферментеров), ежегодно производящих около 1,3 млрд. м³ биогаза, что обеспечивает газом для бытовых нужд свыше 35 млн. человек. Также имеются 600 больших и средних биогазовых станций, которые используют органические отходы животноводства и птицеводства, винных заводов с общим объемом 220 тыс. м³. Действуют 24 тыс. биогазовых очистительных реакторов для обработки отходов городов, работают около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3109 Вт·ч. Биогазовая продукция в Китае оценивается в 33 ПДж.

В Индии, как и в Китае, основной упор сделан на семейные и общинные биогазовые установки - в 1993 г. их было около 2 млн. Ежегодно в Индии вводятся в эксплуатацию 5,6 тыс. таких установок, дающих от 2 до 400 м³ биогаза в день. Основные положения национальной программы Индии по развитию биогазовых технологий включают в себя пункты по снабжению чистой энергией для отопления и приготовления пищи, получению органических удобрений, повышению эффективности сельскохозяйственного производства и многое другое.

Фирма «Bigates» проектирует биогазовые установки мощностью до 350 кВт для сельскохозяйственных районов, которые, кроме выработки электроэнергии и тепла, позволяют сокращать выбросы СО₂ в атмосферу (на 2200 т в год).

На выставке «Зеленая неделя - 2007» немецкая фирма «RIELA» представила комплексы для хранения сельскохозяйственных и промышленных продуктов и носителей возобновляемой энергии.

Фирма производит установки для получения биогаза только из жидкого навоза или органических отходов (коммунальные и пищевые отходы, осадки и жир сточных вод, отходы боен от здоровых животных, трупов животных из животноводческих комплексов, от переработки овощей и фруктов, производства сахара, пива и т.п.).

Предприятие «Stawag» (г. Аахен, Германия) планировало в 2006 г. ввести в эксплуатацию установку синтеза биогаза производительностью 1000 м³/ч. Она будет перерабатывать ежегодно 25,5 тыс. т кукурузного силоса. Синтезированный биогаз будет подвергаться предварительной очистке, а затем закачиваться в газопровод. Замещенный природный газ будет конвертирован в электроэнергию на четырех новых мотор-генераторных установках суммарной электрической мощностью 2 МВт. Стоимость проекта 9,5 млн. евро.

В Тюрингии эксплуатируются 40 установок синтеза биогаза, еще 30 строятся или проектируются. В качестве исходного сырья используются навоз, а также силос соломы и энергетических растений. КПД установки получения биогаза не превышает 35%.

Стало существенно расти использование электроэнергии, получаемой из биогаза. Отработана технология переработки отходов картофеля для получения биогаза и сжигания его в газовых двигателях с получением электроэнергии и тепла из выхлопных газов (пример - ТЭС мощностью 2,5 МВт на фабрике картофельных чипсов в Бельгии). Используется также газ, образующийся на установках по осветлению сточных вод, получаемых на бумажных фабриках из отходов древесины, в фармацевтической промышленности при переработке и расщеплении жиров и др.

Большое количество биогаза производится также и при переработке твердых бытовых отходов городов: в США - 9ПДж, Германии - 14, Японии - 6, Швеции - 5ПДж.

Швеция представила первый в мире экологически чистый пассажирский поезд, работающий на биологическом газе. Оборудованный двумя автобусными двигателями на биогазе поезд может перевозить до 54 пассажиров. Предполагается, что он будет использоваться на восточном побережье Швеции. Новый поезд способен проехать до 600 км без дозаправки, развивая скорость до 130 км/ч. В Швеции на биогазе уже работают около 800 автобусов.

В большинстве развитых стран переработка органических отходов в биогазовых установках направлена на производство тепловой энергии и электричества. Генерируемая таким образом энергия составляет около 3-4% всего потребления энергии в европейских странах.

Интегрированные национальные программы многих стран Африки и Латинской Америки, имеющих огромные количества сельскохозяйственных отходов (свыше 90 % мировых отходов цитрусовых, бананов и кофе, около 70 % отходов сахарного тростника и около 40 % отходов мирового поголовья скота), в настоящее время ориентированы на получение биогаза.

К настоящему времени в мире разработано и построены тысячи крупных промышленных установок для переработки отходов в биогаз.

В России такие установки пока не получили широкого распространения, за исключением нескольких опытно-промышленных установок, разработанных в соответствии с государственными программами.

Кузнецов С.И. впервые теоретически и практически объединил биологию с энергетикой, а его ученики воплотили эти знания в создание отечественной биоэнергетики.

Первые научные разработки в области биогазовых технологий были сделаны в России более 70 лет назад. Начиная с 50-х гг. одним из основных направлений была анаэробная переработка активного ила и осадков городских сточных вод. Этот метод привлек внимание в связи с идеей получения биогаза в основном из навоза сельскохозяйственных животных. Благодаря этому в середине 50-х гг. был построен целый ряд опытных установок для производства биогаза в Запорожском, Белорусском, Грузинском, Молдавском филиалах Всероссийского института электрификации сельского хозяйства, а также в Екатеринбургской области. Однако опыт эксплуатации этих установок был незначителен - один - два сезона. Таким образом, до середины 70-х гг. выполнялись только инициативные работы (табл. 2).

Программа строительства экспериментальных биогазовых установок была принята в 1977 г. в рамках программы 03.09 «Развитие возобновляемых источников энергии» Государственным комитетом по науке и технике (ГКНТ, М.И. Фугенфиров) и Министерством сельского хозяйства СССР. Начиная с 80-х гг. в соответствии с реализацией государственных программ ГКНТ СССР научно-исследовательскими организациями и конструкторскими бюро страны, было разработано несколько принципиально новых биогазовых технологий, позволяющих обрабатывать любые органические отходы с влажностью от 9% до 40%. В результате в СССР были введены в эксплуатацию крупные биоэнергетические - биогазовые станции (табл. 2).

Первая крупная промышленная установка введена в эксплуатацию в марте 1988 г. в Эстонии на Пярнуской межколхозной свиноферме с поголовьем 30 тыс. свиней. Сбраживание жидкого навоза влажностью 94-95% ведут в течение 16 суток в двух параллельно работающих метантенках емкостью по 3260 м³ каждый при мезофильном режиме (35-38°С) и избыточном давлении 400 мм в.ст. Температуру в метантенках поддерживают с помощью контуров обогрева от специальных котлов-теплообменников, образующиеся газы попутно осуществляют перемешивание массы. Производительность по биогазу - 6210 м³/сут.

В латвийском фермерском хозяйстве «Огре» была установлена биогазовая установка по переработке отходов свинофермы на 3 тыс. голов. Установка включает два горизонтальных реактора объемом по 75 м³ каждый, работает без предварительного подогрева массы в термофильном режиме (53-55°С). Средняя производительность по биогазу составляет: 2,6 м^З с 1 м³ рабочего объема метантенка при 20% суточной дозе загрузки. Влажность исходной массы 94%, степень распада органического вещества достигает 33,4%.

В коллективном хозяйстве «Большевик» (Крым, УССР) была установлена биогазовая установка по переработке отходов свинофермы на 24 тыс. голов. Разработка проф. А.А. Ковалева и В.Б. Костюка, ВИЭСХ.

В «Химмаш им. Фрунзе» (г. Сумы, УССР) была установлена биогазовая установка по переработке отходов свинофермы на 3 тыс. голов. Разработка Семененко И.В.

На Октябрьской птицефабрике Глебовского ППО Истринского района Московской области в 1987-1997 гг. была реализована в промышленных масштабах технология «рециркуляции» по обработке отходов птицеводства (Андрюхин Т.Я.). Установка состояла из блока подготовки сырья, блока анаэробной переработки, блока сепарации сброженной массы, энергетического блока, включающего электрогенератор мощностью 72 кВт и водогрейные котлы. Установка перерабатывала в сутки до 10 т куриного помета и производила: до 1000 м³ биогаза, содержащего до 60% метана, и до 10 т органических удобрений. Суточный объем биогаза можно было конвертировать либо в тепловую энергию - 6600 кВт тепловых или в электрическую энергию - 2 МВт.

Следует отметить, что это были установки опытного характера, на которых отрабатывался процесс переработки органического сырья.

Таблица 2. Крупнейшие биоэнергетические станции в СНГ

Животноводческие комплексы и птицефабрики	Спиртовые заводы	Станции аэрации
г. Пярну, Эстонская ССР, 1988г.	г. Дагувпилс, Латвийская ССР, 1965г.	Либерецкая, Московская обл., 1965г.
с/х Огре, Латвийская ССР, 1989г.	г. Панивежес, Литовская ССР, 1962г.	Курьяновская, Московская обл., 1963г.
к/х Большевик, Крым, УССР, 1989г.	Андрушевский завод, УССР, 1969г.	г. Новосибирск
г. Сумы, УССР, 1986г.	г. Грозный, АБЗ, 1969г.	г. Сочи
г. Истра, Московская обл., 1988г.	г. Ефремов, АБЗ, 1967г.
г. Ашхабад, Туркменская ССР, 1985г.
г. Алма-Ата, Каз. ССР, 1991г.

Таким образом, реализация биогазовых технологий находится на уровне научно-технических разработок, малых опытных серий и демонстрационных производственных центров. Общее число биогазовых установок в странах СНГ не превышает в настоящее время нескольких сотен.

Ежегодно в России накапливается до 320 млн. тонн органических отходов, значительная часть которых разлагается в открытой среде, представляя серьезную опасность для природы и человека. Таким образом, ежегодно в результате естественных процессов в окружающее пространство рассеивается эквивалентное нескольким миллиардам тонн условного топлива (нефтяного эквивалента) количество освобождаемой энергии.

Возможности производства биогаза по регионам России оцениваются следующим образом: Дальневосточный ФО - 1,18 млрд. м³; Уральский ФО - 3,1 млрд. м³; Северо-Западный ФО - 3,5 млрд. м³; Сибирский ФО - 11,1 млрд. м³; Центральный ФО - 12,1 млрд. м³; Приволжский ФО - 18,33 млрд. м³; Южный ФО - 24,4 млрд. м³ (рис. 1).



Рис. 1. Возможности производства биогаза по регионам России

Биогазовые установки и станции в отличие от других возобновляемых источников энергии могут функционировать в любых регионах России круглогодично в любое время суток, практически везде, где есть органические отходы или доступная энергетическая биомасса.

Использование энергии биомассы в производственном цикле позволит решить следующие задачи: получить дополнительные энергетические ресурсы на основе местного возобновляемого сырья; утилизировать отходы в зонах производства и переработки сельскохозяйственной продукции и улучшить экологическую обстановку; получить концентрированные органические удобрения и обеспечить процесс восстановления и увеличения естественного плодородия почв.

Современные технологии производства органических удобрений не позволяют утилизировать весь годовой выход отходов на животноводческих комплексах. Выходом из создавшегося положения может стать широкое внедрение в производство биотехнологий.

В России крупные биогазовые установки, работающие по промышленным стандартам качества, появились около 8 лет назад. Из этого можно сделать вывод, что биогаз - относительно новая область технологий, однако достаточный международный опыт позволяет сооружать надежные установки с длительным жизненным циклом. Каждая технология анаэробного сбраживания разрабатывается с учетом соответствующих климатических условий, поэтому применение аналогичных зарубежных разработок в России сопряжено с существенными трудностями при реализации из-за значительной разницы между зимними и летними температурами окружающей среды. Их применение в российских условиях невозможно без адаптации вследствие следующих факторов: теплоснабжения в пиковые моменты при температурах ниже -20°C, подачи тепла ко всем соответствующим точкам потребления; устойчивости всех компонентов технологической схемы к замерзанию, особенно в газопроводах, где высокая конденсация; субстрат может замерзнуть, что сделает невозможным его удаление или загрузку в метантенк; субстрат не всегда можно загружать непосредственно в метантенк из-за разницы температур, которая может замедлить жизнедеятельность организмов; может потребоваться предварительный нагрев в отдельном резервуаре.

В России применение биоэнергетических установок ограничено вследствие больших энергетических затрат на технологические нужды оборудования, следует отметить, что основные энергетические потери возникают в реакторе. Реакторы, применяемые в России для анаэробного сбраживания, имеют достаточно простую конструкцию, оборудованы системой подачи сырья, системой теплообменных труб для стабилизации температуры, несложным перемешивающим устройством для гомогенного распределения сырья и биомассы продуцента, газгольдером для сбора образуемого биогаза.



общая характеристика процесса метанового брожения биоотходов

Энергетическая эффективность данной технологии невысока - в условиях средней полосы России до 70% производимого газа потребляется биогазовой установкой. Несмотря на это, технология отличается высокой рентабельностью, так как позволяет утилизировать стоки животноводческих ферм, сельскохозяйственные и бытовые отходы, отходы лесозаготовки и деревообработки. Главные преимущества биогаза - наличие местных источников сырья, снижение парникового эффекта и экологического ущерба от систем сбора органических отходов, обеспечение экологически замкнутой энергетической системы.

Основные известные параметры, характеризующие процесс анаэробного сбраживания приведены в табл. 1.

Исходное сырье для получения биогаза имеет три главных источника:

- органические отходы животноводства и птицеводства;

- твердый остаток сточных вод на полях орошения;

- силос и биомасса сельскохозяйственных культур.

Биогаз можно получать на свалках, из сточных вод, кукурузного силоса, навозной жижи, зерновых и т.д. Большая часть его применяется для получения электроэнергии и обогрева и лишь незначительная часть используется в качестве транспортного горючего.

Для производства биогаза возможно использование следующих органических материалов. В скобках указан размер выработки биогаза в м³ на тонну сырого материала: жидкий навоз, твердый компост (20 - 70); биологические отходы, собранные на фермах (100 - 200); вторичное (вторично выращенное) сырье (кукурузный силос, непищевые зерна); нечистоты и жир сточных вод (80 - 150); старый жир (1000); трава и биологические отходы от ферм по забою крупного рогатого скота (100); отходы пивоваренных заводов и дистилляторов (20); отходы складов для хранения фруктов и вина, молочных ферм (25).

Эффективность биогазовых установок в основном зависит от количества произведенного биогаза. Исследования зарубежных и отечественных специалистов показали, что выход биогаза зависит от состава субстрата для сбраживания, его предварительной подготовки, соблюдения оптимальных параметров и режимов процесса анаэробного сбраживания (табл. 2). биоотход метаноген анаэробный навоз

Таблица 1. Параметры анаэробного сбраживания

Параметр	Минимальное известное значение	Низкое подтвержденное и достоверное значение	Высокое подтвержденное и достоверное значение	Максимальное известное значение
1	2	3	4	5
Время отстаивания, дни	20	30	Без ограничений	150
Содержание сухого вещества, % влажной массы	1	Без ограничений	10	20
Органическая составляющая, кг сухого органического вещества/(мі в день)	1	Без ограничений	4	15
Температура процесса, 0С	25	35 - 42	53 - 59	59
Эффективность производства электроэнергии < 200 кВт, %	15	30	35	39
Эффективность производства электроэнергии > 200 кВт, %	30	35	39	42
Емкость газгольдера на установках < 100 мі/ч, часы	0	6	12	24
Емкость газгольдера на установках > 100 мі/ч, часы	0	3	12	18
Концентрация аммония, мг/л	100	Без ограничений	5000	12000
Уровень pH	6,2	7	8,5	9

Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительные отходы и т.д.), когда не требуются предварительный сбор отходов, организация и управление их подачи, при этом точно известно, сколько и когда будет получено отходов.

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: 10 -15 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 50 - 80%

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 30 - 40%. 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 10 - 20% 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	1400-4500
6	Массовая доля калия, мг/100 г в пересчете на К2О	2000-4500
7	Массовая доля фосфора, мг/100 г в пересчете на Р2О5	750-2000
8	Массовая доля железа, мг/100 г	100-300
9	Массовая доля кальция, мг/100 г	600-2000
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.

Технология производства позволяет по желанию заказчика регулировать питательные свойства удобрения путем изменения состава.

Для сравнения приведем состав основных производимых органических биогрунтов и органического удобрения из куриного помета (табл. 6).

Производство продукции не требует больших энергетических затрат. Дефицитные сырье и материалы не используются.

Таблица 6. Качественный состав основных органических биогрунтов

№	Наименование	Азот, мг/100г	Фосфор, мг/100г	Калий, мг/100г	Кальций, мг/100г	Магний, мг/100 г	Железо, мг/100г
1	Биогумус «Живая земля»	250	500	500	6000	300	250
2	ЗАО МНПП «Фарт» «Исполин»	1000-2500	2000	9000	500	200	100
3	Органическое удобрение (Био-С)	1400-4500	750-2000	2000-4500	600-2000	100-400	100-300

Положительными эффектами от применения удобрения являются: удобрение обеспечивает сбалансированное питание всех сельскохозяйственных культур и создает условия для получения экологически чистой продукции; сокращает сроки созревания урожая; при использовании удобрения резко улучшается состав и свойства почв; восстанавливается плодородный гумусный слой почв; восстанавливается оптимальная кислотность почв; восстанавливается полезная микрофлора и подавляется рост вредной микрофлоры; повышается устойчивость сельскохозяйственных культур к неблагоприятным факторам среды (засуха, наводнение, заморозки) и заболеваниям (грибковые заболевания и бактериальные заболевания).

Анализ известных данных об экономической эффективности процесса анаэробного сбраживания

Существуют различные биогазовые технологии, каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. На выбор оптимального варианта, безусловно, часто влияют экономические условия. Не всегда представляется возможным сделать всесторонний расчет для каждого варианта. Таким образом, выбор следует делать рационально, проводя подробные расчеты по всем вариантам.

Численное исследование выбираемого варианта биоэнергетической установки крайне важно для успеха проекта в целом, поэтому такой расчет должен быть достоверным и учитывать все возможные расходы и прибыли (табл. 7).

Таблица 7. Биоэнергетическая технология: затраты и прибыли

Затраты	Прибыли
Закупка субстрата	Замена тепловой и электроэнергии
Транспортировка субстрата	Реализация электроэнергии
Хранение субстрата	Реализация тепловой энергии
Предварительная обработка субстрата (при необходимости)	Реализация топлива
Инвестиции в установку в целом, включая планирование и помещение, все хранилища и передвижное оборудование/автомобили	Замена удобрений
Разрешения, экспертизы (если необходимо)	Торговля сертификатами, полученными за снижение выбросов
Работники для обслуживания установки
Техническое обслуживание
Ремонт, запасные части
Энергия для работы установки
Производственные ресурсы (для стационарного и передвижного оборудования)
Обработка отходов
Хранение отходов
Транспортировка отходов
Утилизация отходов (при необходимости)
Стоимость финансирования (например, проценты)

Приведенные ниже значения затрат являются ориентировочными и позволяют получить предварительные данные о масштабах затрат. При технико-экономическом обосновании необходимо учитывать:

· капитальные затраты (годовая амортизация; для теплоэлектроустановок приблизительно 650 $/кВт установленной мощности);

· сумму процентов по кредитам (приблизительно 7% от суммы капиталовложений), в среднем ставки процента по промышленным кредитам в России варьируются в пределах от 15 до 23%;

· энергопотребление (для теплоэлектроустановок составляет приблизительно 3% от производимой электроэнергии);

· техническое обслуживание (для теплоэлектроустановок 10$/МВт•ч произведенной энергии; для другого оборудования 2% в год от суммы капиталовложений);

· персонал (приблизительно 1 час в день для всех функций);

· прочие затраты (около 2% в год от суммы капиталовложений).

Экономическая эффективность биогазовых установок особенно велика при переработке большого непрерывного потока отходов. Неубыточны и малые предприятия при адекватном техническом решении. Конечно, неоценим вклад биогазовых технологий в сохранение экологического равновесия.

Метановое брожение с получением биогаза является эффективным путем биологической конверсии органических отходов в топливо. Использование энергии биомассы в агропромышленном комплексе позволит получить дополнительный источник энергии на основе местного возобновляемого сырья, концентрированные органические удобрения, а также обеспечить защиту окружающей среды.

Безусловно, вся проблема биотоплива должна рассматриваться в целом. При этом применительно к конкретным задачам, региональным особенностям должна осуществляться диверсификация видов биотоплива: все должно взаимно дополнять друг друга с главной целью - поддержания экологического баланса. Биогаз в этом отношении представляет собой универсальное средство, особенно при реализации таких проектов, как «Экодом», проведение мероприятий по ремедиации, утилизации отходов и т.д. В настоящее время эта тема выходит за рамки узкопрофессиональных представлений, как это было еще лет 20-30 назад. Реальности глобализации вовлекают практически все человечество в необходимость определения государственной и общественной позиции по данному вопросу.

Исследование расширенного использования органических отходов обусловлено необходимостью:

- снижения потребления углеродосодержащих видов топлива;

- надежного энергообеспечения предприятий, основанного на использовании местных возобновляемых источников энергии;

- снижения энергетической составляющей в себестоимости продукции.

3. Методы исследования

1) Описание научных методов, используемых в проекте как обоснование способов достижения поставленных целей, обоснование выбранного подхода;

Отобраны образцы свежего навоза из КРС. Точки пробоотбора выбраны на месте в соответствии с требованиями, предъявляемыми к образцам: влажность, температура, значение рН 6,8-8,0. Отбор пробных образцов навоза проводили в соответствии с

общепринятыми и разработанными в лаборатории методами [1].

Характеристика образцов. Метанообразующие бактерии предъявляют к условиям своего существования значительно более высокие требования, чем кислотообразующие - они нуждаются в абсолютно анаэробной среде и требуют более длительного времени для воспроизводства [2].

Таким образом отбор образцов свежего навоза КРС, осуществляли в строго герметичных сосудах. Необходимые условия для активного метанообразования приведены в Таблице - 1.



Методика исследования.

Накопительные культуры метанобразующих микроорганизмов получали на следующих питательных средах (г/л):

KH2PO4-0,38;

Na2HPO4-0,53;

NH4CL-0,30;

NaCL-0,30;

CaCl2* 2H2O-0,11;

MgCL2*6H2O-0,10;

резазурин - 0,001; (индикатор восстановительных условий);

раствор микроэлементов - 1,0 мл/л; витамины - 0,5;

Для получения чистых культур метаногенов использовали рассев накопительной культуры на поверхность или в толщю агаризованной минеральной среды того же состава (с 1,5-2% агара). Стерильную анаэробную агаризованную среду в плотно закупоренных сосудах расплавляли, остужали до 45°С и стерильным шприцем вносили аликвоту культуральной жидкости из накопительной культуры с соблюдением условий анаэробиоза. Культивирование осуществляли в термостатируемом шейкере-инкубаторе со скоростью

вращения 180 об/мин при температуре 37°С. Культурально-морфологические признаки выделенных чистых культур (размер, форму клеток, оптические свойства, цвет) изучали по общепринятой методике Н.С. Егорова [3]. Тинкториальные свойства определяли окраской по Граму [4].

Синтез метана, осуществляется специфической группой микроорганизмов и реализуется на терминальной участке цепи анаэробного разложения органических веществ в природе. Метанообразующих бактерии (метаногены) характеризуются рядом уникальных свойств, которые будут рассмотрены в данном разделе.

Все штаммы метанообразующих бактерий являются облигатными анаэробами, некоторые из них погибают при кратковременном контакте с воздухом, другие только прекращают рост. Эта группа бактерий характеризуется необычным путем получения энергии, уникальными конечными продуктами метаболизма (катаболизма): СН₄ и СО₂. [1, 3]

Субстратами для метаногенеза является СО₂ + Н₂ формиат, ацетат, метанол, метиламины и др.. Потребности в питательных веществах в различных метанообразующих бактерий относительно источников углерода, энергии и факторов роста различны. Как источник азота используются NH₄⁺, а как сера - сульфиды. Кроме фосфатов Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺, Na⁺, Fe²⁺, в среде нужно добавлять различные микроэлементы, и в первую очередь Ni, Со, Мо, а иногда W и Se.

Оптимальный диапазон рН для роста метанообразующих бактерий, - 6,5-7,5. Метаногены характеризуются низкой скоростью роста. Поэтому развитие клеточной популяции метанообразующих бактерий в жидкой среде контролируется газохроматографического методом выделения СН4. На твердых (агаризованных средах) возможна идентификация колоний ряда метанообразующих бактерий с флюоресценцией.

Метанообразующие бактерии характеризуются комплексом свойств, которыми они отличаются от других прокариотов (строением клеточной стенки, специфическими коэнзимами, клеточными липидами, аппаратом синтеза белка и др.)., Что послужило основанием для предложения выделить их в царство архебактерий. [3, 4].

У метаногенов мураминовая кислота и D-аминокислоты, как и у других архебактерий, отсутствуют. Псевдомуреин состоит из цепочки N-ацетилглюкозамин и N-ацетилталозаминуроновой кислоты в -1, 3-положении, а также боковые пептидные цепи с глутаминовой кислоты, аланина и лизина. Существенные отличия есть и в строении липидов клеток метаногенов и других организмов. У метанообразующих бактерий и других архебактерий содержатся изопранилглицериновые эфиры как полярные липиды, при этом два важных соединения - дифитанилглицериндиэфир и дибифитанилдиглицеринтетра-эфир. У разных организмов содержание этих эфиров разное. Аналогично глицериновым сложным эфирам эубактерии эти ди-, тетралипидни эфиры архебактерий связанные с углеводами и фосфатами в виде гликолипидов, фосфолипидов и фосфогликолипидов в мембранах середине клеток. В целом липиды составляют 2-6% сухой массы клеток. 80-90% всех липидов представлены полярными липидами, которые являются главными составляющими частями клеточной оболочки-, другие 10-20%-полярными или нейтральными липидами.В отличие от эубактерий и эукариотов у метанообразующих бактерий (и других архебактерий) есть только одна РНК-полимераза, которая состоит из одной большой, двух средних и нескольких маленьких субъединиц, т.е. она имеет сложную структуру и содержит не менее 8 полипептидов. Структура генома, его размеры, а также состав ДНК метаногенов, в целом подобны таковым эубактериального генома. У некоторых метаногенов найдены также критические плазмиды.

Культуральные и физиолого-биохимические свойства метаногенов (метанообразующие бактерии).

Добавление в среду казаминовых кислот стимулирует рост большинство метанообразующих бактерий не растет на Н₂ и СО₂. Добавление NH₄Cl в среду с дрожжевым экстрактом оказывает стимулирующий эффект и увеличивает выход метана, причем аммоний не может быть заменен на нитрат. Источником органического азота является дрожжевой экстракт, который не может быть заменен на смесь аминокислот с витаминами. Образование метана, в основном, наблюдается при температуре от 10 до 50°С, с оптимумом 37°С, при значениях рН от 5,5 до 7,7, с оптимумом 6,3-6,9 солености среды от 0,9 до 10 г / л с оптимумом 4,5-6,0 г / л. Способность к лизису под влиянием детергентов характерна для коккообразные метаногенов, относящихся к семействам Mеthanococcus, Methanolobus, Methanohalophilus и Methanoplanus. Лизис, который вызывается додецилсульфатом натрия (ДДС), обычно свидетельствует о белковую природу клеточной стенки бактерий. Из представителей рода Methanosarcina способность к лизису под действием ДДС наблюдалось в M. acetivorans и в некоторых штаммов M. mazei. Для метанообразующих бактерий этих видов характерна способность к росту не только в агрегатах псевдосарцин, но и с образованием дисперсной массы отдельных кокков. Отсутствие чувствительности некоторых метанообразующих бактерий к ряду антибиотиков широко применяют для выделения чистых культур этих архей. Определение чувствительности чистых культур метанообразующих бактерий к различным классам антибиотиков позволяет использовать этот феномен для разделения метаногенов разных таксономических групп. Рост и метаногенеза подавляются хлорамфенилколом, полимиксина и в значительной степени канамицином.

Метаболизм метанообразующих бактерий

Образование СН₄ является процессом, который поставляет энергию метаногены бактериям. Различные субстраты обеспечивают разный уровень получения энергии.