Биогазовые установки

Биогазовые установки

Технология получения  биогаза и переработки органических отходов в высококачественное удобрение  путем анаэробного сбраживания, давно известная человечеству и  успешно опробованная и применяемая  в ряде стран, способна кардинально  улучшить экономические, экологические  и социальные условия в сельском хозяйстве.

Биогазовые установки  демонстрируют рекордную для  технологического оборудованея окупаемость, а применение сброженного остатка в качестве удобрения обещает настоящий прорыв в повышении урожайности.

После подготовки сырья, оно  подается в метантенк, где происходит процесс ферментации сырья. Метантенк можно условно разделить на три части: верхнюю – корку из крупных частиц, которые поднимаются пузырьками газа; среднюю – жидкую; и нижнюю, в которой скапливаются выпадающие в осадок грязеобразные массы.

С течением времени верхняя  корка становится настолько твердой, что мешает выделению биогаза, поэтому  для нормального течения ферментации  ее необходимо время от времени разрушать, иными словами, перемешивать. Перемешивание  можно осуществлять за счет подогрева  метантенка, что способствует ускорению процесса жизнедеятельности бактерий.

Метанопроизводящие бактерии имеются в самом сырье, и культуры их развиваются от одной до трех недель, пока не начнет выделяться газ. Скорость выделения можно значительно ускорить (в 2 – 3 раза), если добавить в резервуар порцию “закваски” из предыдущей партии уже перебродившего сырья. Бактерии проявляют активность в диапазоне температур от +5 до +75°С и разделяются на три группы.

Психрофильные бактерии эффективно работают в диапазоне +5…+20°. При  дальнейшем повышении температуры  развиваются мезофильные бактерии, их рабочий диапазон +30…+42°. А при еще более высокой температуре проявляется действие уже термофильных бактерий.

В процессе сбраживания выделяется недостаточное количество тепла  и для поддержания ее нормального  течения, особенно в зимнее время, необходимо осуществлять дополнительный подогрев сырья. Это можно использовать как  эффективный фактор, регулирующий газообразование.

Вырабатываемый с помощью установки биогаз после очистки и компрессии может использоваться в качестве моторного топлива и для удовлетворения энергетических нужд. Перебродившая сырьевая масса, или шлам, может сразу же использоваться как удобрение для подкорневой подкормки сельскохозяйственных культур. Возможно также хранение и грануляризация шлама, после чего он может использоваться в качестве подкормки для крупного рогатого скота или как удобрение.

Биогазовая установка, как  правило, представляет собой герметически закрытую емкость, в которой при  определенной температуре происходит сбраживание органической массы  отходов, сточных вод и т.п. с  образованием биогаза.

Принцип работы всех биогазовых установок одинаков: после сбора  и подготовки сырья, заключающейся  в доведении его до нужной влажности  в специальной емкости, оно подается в реактор, где создаются условия  для оптимизации процесса переработки  сырья.

Сам процесс получения  биогаза и биоудобрения из сырья называют ферментацией, или сбраживанием. Сбраживание сырья производится за счет жизнедеятельности особых бактерий. Во время сбраживания на поверхности сырья появляется корка, которую нужно разрушать, перемешивая сырье.

Перемешивание осуществляется вручную или при помощи специальных  устройств внутри реактора и способствует высвобождению образовавшегося  биогаза из сырья. Полученный биогаз после очистки собирается и хранится до времени использования в газгольдере.

От газгольдера к месту  использования в бытовых или  других приборах биогаз проводят по газовым  трубам. Переработанное в реакторе биогазовой установки сырье, превратившееся в биоудобрения, выгружается через выгрузное отверстие и вносится в почву или используется как кормовая добавка для животных.

Условия, необходимые для  переработки органических отходов  внутри реактора биогазовой установки, кроме соблюдения бескислородного  режима, включают:

• соблюдение температурного режима; 
• доступность питательных веществ для бактерий; 
• выбор правильного времени сбраживания и своевременную загрузку и выгрузку сырья; 
• соблюдение кислотно-щелочного баланса; 
• соблюдение соотношения содержания углерода и азота; 
• правильную пропорцию твердых частиц в сырье и перемешивание; 
• отсутствие ингибиторов процесса.

Существует много различных  конструкций биогазовых установок. Их различают по методу загрузки сырья, внешнему виду, по составным частям конструкции и материалам, из которых  они сооружаются.

По методу загрузки сырья  выделяют установки порционной и  непрерывной загрузки, которые отличаются временем сбраживания и регулярностью  загрузки сырья. Наиболее эффективными с точки зрения выработки биогаза  и получения биоудобрений являются установки непрерывной загрузки.

По внешнему виду установки  различаются в зависимости от способа накопления и хранения биогаза. Газ может собираться в верхней  твердой части реактора, под гибким куполом или в специальном  газгольдере, плавающем или стоящим  отдельно от реактора

Процесс анаэробной переработки

Получение биогаза и биоудобрений из органических отходов основано на свойстве отходов выделять биогаз при разложении в анаэробных, т.е. безкислородных условиях. Этот процесс называется метановое сбраживание и происходит в три этапа в результате разложения органических веществ двумя основными группами микроорганизмов – кислотными и метановыми.

Три этапа производства биогаза  
Процесс производства биогаза может быть разделен на три стадии: гидролиз, окисление и образование метана. В этом сложном комплексе превращений участвует множество микроорганизмов, главными из которых являются три вида метанообразующих бактерий.

Гидролиз  
На первом этапе, (гидролиз), органическое вещество ферментируется внешне внеклеточными ферментами (клетчатка, амилаза, протеаза и липаза) микроорганизмов. Бактерии разлагают длинные цепочки сложных углеводородов, протеины и липиды – в более короткие цепочки.

Сбраживание  
Кислотопродуцирующие бактерии, которые принимают участие во втором этапе образования биогаза, расщепляют 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, окись углерода, уксусная и муравьиная кислоты и др. Эти органические вещества являются источником питания для метанообразующих бактерий, которые превращают органические кислоты в биогаз.

Образование метана 
Метанопроизводящие бактерии, вовлеченные на третьем этапе, разлагают образования с низким молекулярным весом. Они утилизируют водород, углекислоту и уксусную кислоту. В естественных условиях, метанобразующие бактерии существуют при наличии анаэробных условий, например, под водой, в болотах. Они очень чувствительны к изменениям окружающей среды, поэтому от условий, которые создаются для жизнедеятельности метанообразующих бактерий, зависит интенсивность газовыделения.

Симбиоз бактерий  
Метано- и кислотообразующие бактерии взаимодействуют в симбиозе. С одной стороны, кислотообразующие бактерии создают атмосферу с идеальными параметрами для метанообразующих бактерий (анаэробные условия, химические структуры с низким молекулярным весом). С другой стороны, метанообразующие микроорганизмы используют промежуточные соединения кислотопроизводящих бактерий. Если бы не происходило этого взаимодействия, в реакторе развились бы неподходящие условия для деятельности обоих типов микроорганизмов.

Параметры и оптимизация  процесса сбраживания

Кислотообразующие и метанообразующие бактерии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. Например, в пищеварительной системе крупного рогатого скота содержится полный набор микроорганизмов, необходимых для сбраживания навоза, а сам процесс метанового брожения начинается еще в кишечнике. Поэтому навоз КРС часто применяют в качестве сырья, загружаемого в новый реактор, где для начала процесса сбраживания достаточно обеспечить следующие условия: 
• Поддержка анаэробных условий в реакторе; 
• Соблюдение температурного режима; 
• Доступность питательных веществ для бактерий; 
• Выбор правильного времени сбраживания и своевременная загрузка и выгрузка сырья; 
• Соблюдение кислотно-щелочного баланса; 
• Соблюдение соотношения содержания углерода и азота; 
• Выбор правильной влажности сырья; 
• Регулярное перемешивание; 
• Отсутствие ингибиторов процесса.

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.

Использование биогаза

Основным способом применения биогаза является превращение его  в источник тепловой, механической и электрической энергии. Однако крупные биогазовые установки можно  использовать для создания производств  по получению ценных химических продуктов  для народного хозяйства.

На биогазе могут работать газосжигающие устройства, вырабатывающие энергию, которая используется для отопления, освещения, снабжения кормоприготовительных цехов, для работы водонагревателей, газовых плит, инфракрасных излучателей и двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее простым способом является сжигание биогаза в газовых  горелках, так как газ можно  подводить к ним из газгольдеров под низким давлением, но более предпочтительно  использование биогаза для получения  механической и электрической энергии. Это приведет к созданию собственной  энергетической базы, обеспечивающей эксплуатационные нужды хозяйств.