Переробка біомаси (органічних сільськогосподарських і побутових відходів) метановим шумуванням з одержанням біогазу

Відходи сільського господарства й харчової промисловості також дозволяють одержувати енергію. Енергію з нічого. Такими відходами можуть бути гній худоби, свиней, пташиний гній, відходи боєнь, пивна дробина, післяспиртова барда, буряковий гніт, каналізаційні стоки й ін.

У нетрадиційній енергетиці особливе місце займає переробка біомаси (органічних сільськогосподарських і побутових відходів) метановим шумуванням з одержанням, біогазу, що містить близько 70% метану, і знезаражених органічних добрив. Надзвичайно важлива утилізація біомаси в сільському господарстві, де на різні технологічні потреби витрачається велика кількість палива й безупинно зростає потреба у високоякісних добривах. Усього у світі в цей час використовується або розробляється біля 60-ти різновидів біогазових технологій.

Біогаз — це суміш метану й вуглекислого газу, що утворюється в спеціальних реакторах — метантенках, улаштованих і керованих таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану. Енергія, одержувана при спалюванні біогазу може досягати від 60 до 90% тієї, котрою володіє вихідний матеріал. Однак біогаз одержують із рідкої маси, що містить 95% води, так що на практиці вихід досить важко визначити.

Інше, і дуже важливе, достоїнство процесу переробки біомаси полягає в тому, що в його відходах утримується значно менше хвороботворних мікроорганізмів, ніж у вихідному матеріалі.

Одержання біогазу економічно виправдано і є кращим при переробці постійного потоку відходів (стоки тваринницьких ферм, боєнь, рослинних відходів і т.д.). Економічність полягає в тому, що немає потреби в попередньому зборі відходів, в організації й управлінні їхньою подачею; при цьому відомо, скільки й коли буде отримано відходів.

Переробка відходів на біогазових установках дозволяє одержати:
біогаз, електроенергію, тепло, біодобрива, утилізацію або очищення, паливо для автомобілів.

У процесі шумування з біовідходів виробляється біогаз. Цей газ може використовуватися як і звичайний природний газ для обігріву, виробітку електроенергії. Його можна стискати, використовувати для заправлення автомобіля, накопичувати, перекачувати.

1. З одного м³ біогазу можна виробити 2 кВт∙ год електроенергії ( біо-газ при спалюванні в генераторі дає електроенергію).

Електрика утворюється без перепадів, як у суспільній мережі. Для роботи когенераційної^* установки біогаз очищається від сірки й вологи.

^*Когенераційні установки - являють собою обладнання для комбінованого виробництва електроенергії й тепла, у них застосовуються газопоршневі двигуни внутрішнього згоряння, пристосовані до роботи на біогазі.

Рисунок 4 - Генератор

2. В установці від охолодження електрогенератора виробляється тепло без додаткового спалювання газу.

Тепло можна використовувати:

• для обігріву приміщень,
• технологічних цілей,
• одержання пару.

Тепло можна одержувати при охолодженні двигуна в когенераційній установці. Так само біогаз можна спалювати напряму.

Як варіант, тепло може використовуватися для приведення в дію випарників рефрижераторів.

Рисунок 5 - Використання біогазу для опалення теплиць.

3. Переброджена маса - це екологічно чисті рідкі й тверді добрива (біогумус).

Будь-які відходи ще не є добривом. Основна частина органічних відходів накопичується в місцях виробництва, їхні об'єми великі, а для того, щоб вони стали добривом повинний пройти час. За тривалий період їх накопичується величезна кількість. І чим довше вони лежать, тим більше втрачають живильних речовин. Тому виникає потреба в ефективній їхній переробці.

Біогазова технологія дозволяє прискорено одержати за допомогою анаеробного зброджування натуральне біодобриво, що містить біологічно активні речовини й мікроелементи. Основною перевагою біодобрив у порівнянні із традиційними добривами, є форма, доступність і збалансованість всіх елементів живлення, високий рівень гуміфікації органічної речовини.

Рисунок 6 - Біодобрива

Органічна речовина служить потужним енергетичним матеріалом для ґрунтових мікроорганізмів, тому після внесення в ґрунті відбувається активізація азотофіксуючих і інших мікробіологічних процесів.

Фактори, перераховані вище, позитивно впливають на ґрунт, поліпшують фізико-механічні властивості грунту, і як наслідок при використанні збалансованих біодобрив після біогазової установки, урожайність підвищується на 30-50%.

4. Біогаз після очищення від С₂ - це метан, яким заправляють автомобілі.

Для заправлення автомобілів встановлюється додаткова система очищення біогазу до біометану. Після такого очищення, отриманий газ - аналог природного газу (90-95 % метану CH₄) тільки різниця в його походженні. Таким метаном можна й варто заправляти техніку.

Сьогодні вже існує величезна мережа метанових заправних станцій. В умовах подорожчання дизельного палива використання метану стає більш вигідним.

По своїх характеристиках 1 м³ метану - еквівалент 1 л солярки.

При очищенні біогазу на тім же обладнанні крім метану виходить СО₂, залежно від потреб його можна одержати в газоподібному або зрідженому стані. У кожному разі цей газ є товаром і теж іде в прибуток.

Рисунок 7 - Метанова заправна станція

Утилізація або очищення

Біогазова установка - це сама активна система очищення.

Будь-які інші системи очищення споживають енергію, а не виробляють. Продукти будь-якої системи очищення потрібно ще продавати, а продукт біогазової установки потрібний підприємству самому.

Оскільки процес відбувається без доступу повітря (ферментатори повністю герметичні), то запахи при переробці не поширюються.

Біогазова установка дозволяє усунути основну масу забруднюючих органічних речовин, тому після установки відходи не мають огидного специфічного запаху.

Після звичайних систем очищення відходи так і залишаються відходами. Після біогазової установки - це високоякісні добрива.

Одержання біогазу, можливе в установках самих різних масштабів, особливо ефективно на агропромислових комплексах, де існує можливість повного екологічного циклу.

Рисунок 8 - Схема бродіння органічних речовин

*Одна група мікроорганізмів, звичайно називана кислотоутворюючими бактеріями, або бродильними мікроорганізмами, розщеплює складні органічні сполуки (клітковину, білки, жири й ін.) у більш прості, при цьому в середовищі, що бродить, з'являються первинні продукти шумування — летучі жирні кислоти, нижчі спирти, водень, оксид вуглецю, оцтова й мурашина кислоти й ін.

Ці менш складні органічні речовини є джерелом живлення для другої групи бактерій

—** метаноутворюючих, які перетворюють органічні кислоти в необхідний метан, а також вуглекислий газ і ін.

«Метанове зброджування» відбувається при розкладанні органічних речовин у результаті життєдіяльності двох основних груп мікроорганізмів. Хоча в цьому складному комплексі перетворень бере участь безліч мікроорганізмів, за деяким даними — до тисячі видів, але головні з них все-таки матаноутворюючі бактерії. Вони значно повільніше розмножуються й більш чутливі до змін навколишнього середовища, ніж кислотоутворюючі мікроорганізми-бродильщики, тому спочатку в зброджуваному середовищі накопичуються летучі кислоти, а першу стадію метанового зброджування називають кислотною. Потім швидкості утворення й переробки кислот вирівнюються, так що надалі розкладання субстрату й утворення газу йдуть одночасно. І природно, від умов, які створюються для життєдіяльності метаноутворюючих бактерій, залежить інтенсивність газовиділення.

Як кислотоутворюючі, так і метаноутворюючі бактерії зустрічаються в природі повсюдно, зокрема в екскрементах тварин. Вважається, що в гної великої рогатої худоби є повний набір мікроорганізмів, необхідних для йогозброджування. І підтвердженням цьому є те, що в рубці й кишечнику жуйних тварин постійно йде процес метаноутворення. Отже, немає необхідності застосовувати для одержання біогазу чисті культури метаноутворюючих бактерій для того, щоб викликати процес шумування. Досить лише забезпечити вже наявним у субстраті бактеріям відповідні умови для їхньої життєдіяльності.

При анаеробному зброджуванні органічні речовини розкладаються у відсутності кисню. Цей процес містить у собі два етапи (рисунок 8).

На першому етапі складні органічні полімери (клітковина, білки, жири й ін.) під дією природного співтовариства різноманітних видів анаеробных бактерій, розкладаються до більш простих сполук: летучих жирних кислот, нижчих спиртів, водню й окису вуглецю, оцтової й мурашиної кислот, метилового спирту.

На другому етапі метаноутворюючі бактерії перетворюють органічні кислоти в метан, вуглекислий газ і воду.

Первинні анаероби представлені різноманітними фізіологічними групами бактерій:клітиноруйнуючими, вуглецьзброджуючими (типу маслянокислих бактерій), аммоніфіцируючими (розкладаючими білки, пептиди, амінокислоти) бактеріями, що розкладають жири й т.д. Завдяки цьому складу, первинні анаероби можуть використовувати різноманітні органічні сполуки рослинного й тваринного походження, що є однією з найважливіших особливостей метанового співтовариства. Тісний зв'язок між цими групами бактерій забезпечують достатню стабільність процесу.

Метанове шумування протікає при середніх (мезофільне) і високих (термофільне) температурах.

Найбільша продуктивність досягається при термофільному метановому шумуванні. Особливість метанового консорціуму дозволяє зробити процес шумування безперервним.

Для нормального протікання процесу анаеробного шумування необхідні оптимальні умови в реакторі: температура, анаеробні умови, достатня концентрація живильних речовин, припустимий діапазон значень рН, відсутність або низька концентрація токсичних речовин.

Температура в значній мірі впливає на анаеробне шумування органічних матеріалів. Щонайкраще шумування відбувається при температурі 30—40 °С (розвиток мезофільної бактеріальної флори), а також при температурі 50—60 °С (розвиток термофільної бактеріальної флори). Вибір мезофільного або термофільного режиму роботи ґрунтується на аналізі кліматичних умов. Якщо для забезпечення термофільних температур необхідні значні витрати енергії, то більш ефективною буде експлуатація реакторів при мезофільних температурах.

Метанові бактерії проявляють свою життєдіяльність у межах температури 0-70ºС. Якщо температура вище вони починають гинути, за винятком декількох штамів, які можуть жити при температурі середовища до 90⁰С. При мінусовій температурі вони виживають, але припиняють свою життєдіяльність. У літературі як нижню границю температури вказують 3-4⁰С.

Поряд з температурними умовами на процес метанового шумування й кількість одержуваного біогазу впливає час обробки відходів.

При експлуатації реакторів необхідно проводити контроль за показником рН, оптимальне значення якого перебуває в межах 6,7-7,6. Регулювання цього показника здійснюється шляхом додавання вапна.

При нормальній роботі реактора одержуване біогаз містить 60-70% метану, 30-40% двоокису вуглецю, невелику кількість сірководню, а також домішки водню, аміаку й окислів азоту.

Найбільш ефективні реактори, що працюють у термофільному режимі при 43—52 °С. При тривалості обробки гною 3 дні вихід біогазу на таких установках становить 4,5 л на кожний літр корисного об'єму реактора. У вихідну масу для інтенсифікації процесу анаеробного шумування гною й виділення біогазу додаються органічні каталізатори, які змінюють співвідношення вуглецю й азоту в масі, що шумує (оптимальне співвідношення С/N=20/1 - 30/1). Як такі каталізатори використовуються глюкоза й целюлоза.

Одержуваний при шумуванні біогаз має теплоту згоряння 5340—6230 ккал/м³ (6,21+7,24 кВт.г/ м³).

Рисунок 9 - Схема біогазової установкиZORG™

Розглянемо принцип роботи біогазової установки на прикладі установки ZORG™.

1. Рідкі біовідходи перекачуються на біогазову установку фекальними насосами по бардопроводу або трубопроводу гноєвидалення (каналізаційна насосна станція (КНС) перебуває в спеціальному технологічному приміщенні).

Рідкі відходи попадають не прямо в реактор, а в попередню ємність. У цій ємності відбувається гомогенізація маси й підігрів (іноді охолодження) до необхідної температури. Звичайно об'єм такої ємності на 2-3 дня.

2. Тверді відходи (наприклад, гній) доставляються по транспортерній стрічці, а із сховища гною - трактором. Тверді відходи можуть завантажуватися в ємність із рідкими відходами й перемішуватися з ними. Або тверді відходи завантажуються в спеціальний шнековий завантажник.

3. З ємності гомогенізації й завантажника твердих відходів біомаса (гній або барда) надходить у реактор (інша назва біореактор, метантенк, ферментатор). Реактор (біореактор, метантенк, ферментатор) є газонепроникним, повністю герметичним резервуаром з кислотостійкого залізобетону. Всередині реактора (метантенка, ферментатора) підтримується фіксована для мікроорганізмів температура. Температура в реакторі мезофільна (30-41°С). В окремих випадках застосовуються реактори з термофільним режимом (близько 55°С).

Перемішування біомаси усередині реактора провадиться декількома способами. Спосіб перемішування вибирається залежно від типу сировини, вологості й інших параметрів. Реактори бувають із дерев'яним або залізобетонним зводом. Термін служби реактора більш 25-30 років.

4. Підігрів реактора ведеться теплою водою.

5. Якщо біогазова установка комплектується когенераційною установкою (теплоелектрогенератором), то вода від охолодження генератора використовується для підігріву реактора. Вода спеціально підготовлена й рециркуляційна.

У зимовий період біогазовій установці потрібно до 70% вторинного тепла відведеного від теплоелектрогенератора. У літній - близько 10%.

6. Якщо біогазова установка працює тільки на виробництво газу, тоді тепла вода береться від спеціально встановленого водогрійного казана. Витрати теплової й електричної енергії на потреби самої установки становлять від 5 до 15% всієї енергії, що дає біогазова установка.

Середній час гідравлічного відстоювання усередині реактора (залежно від субстратів) - 20-40 днів. Протягом цього часу органічні речовини усередині біомаси метаболізуються (перетворюються) мікроорганізмами. Для кукурудзяного силосу період шумування складає 70-160 днів. Період шумування визначає об'єм реактора.

Всю роботу зі шумування відходів пророблять анаеробні мікроорганізми. У біореактор мікроорганізми вводяться один раз при першому запуску. Далі ніяких добавок мікроорганізмів і додаткових витрат не потрібно. Введення мікроорганізмів провадиться одним із трьох способів:

1) введення концентрату мікроорганізмів;

2) додавання свіжого гною;

3) додавання біомаси з іншого діючого реактора.

Звичайно використовується 2 і 3 спосіб через дешевину. У гної мікроби присутні й потрапляють у нього ще з кишечника тварин. Ці мікроорганізми корисні й не приносять шкоди людині або тваринам. До того ж реактор - це герметична система. Тому реактори, а точніше їх назвати ферментерами, розташовуються в безпосередній близькості від ферми або виробництва.

На виході маємо два продукти: біогаз й біодобрива (компостируваний і рідкий субстрат).

7. Біогаз зберігається в ємності для зберігання газу - газгольдері. Тут у газгольдері вирівнюються тиск і склад газу. Термін служби газгольдера 15 років. Газгольдер герметично накриває реактор зверху. Над газгольдером накривається додатково тентове накриття. У простір між газгольдером і тентом накачується повітря для створення тиску й теплоізоляції. Запас об'єму газгольдерів звичайно 0,5-1 день.

8. З газгольдера йде безперервна подача біогазу в газовий або дизель-газовий теплоелектрогенератор. Тут уже виробляється тепло й електрика. Великі біогазові установки мають аварійні смолоскипові установки на той випадок, якщо двигун/двигуни не працюють і біогаз треба спалити. Газова система може містити в собі вентилятор, конденсатовідводчик, десульфулізатор і т.п.

9. Всією системою управляє система автоматики. Система контролює роботу насосної станції, мішалок, системи підігріву, газової автоматики, генератора. Для управління досить усього 1 чоловіка 2 години на день. Ця людина веде контроль за допомогою звичайного комп'ютера. Після 2-х тижневого навчання на установці може працювати людина без особливих навичок, тобто після училища.

10. Маса, що перебродила, - це біодобрива, готові до використання. Рідкі біодобрива відділяються від твердих за допомогою сепаратора й зберігаються в ємності для зберігання біодобрив. У Німеччині цей субстрат - аміачна вода в основному використовується як добриво через високу концентрацію аміаку (NH₄).

11. З ємності зберігання рідких добрив насосами маса перекачується в бочки-причепи й вивозиться на поля або на продаж. Як варіант можливий комплектація біогазової установки лінією фасування й упакування біодобрив у склянки по 0,3; 0,5, 1,0 л.

11. Тверді добрива зберігаються на спеціальній ділянці. Якщо біодобрива не представляють ніякого інтересу для власника й потрібно позбутися від рідкого субстрату, тоді біогазова установка комплектується пристроями з додатковими ступенями очищення.