Комбинированная биогазовая установка
Сегодня усиленное производство биомассы в энергетических целях конкурирует с производством пищи, волокна, строительных материалов часто без должной ответственности перед человечеством, поскольку для пищи нет других источников, кроме биомассы. Человек использует для питания 16 – 20 % от находящейся в обороте биомассы. Остальные 80 % составляют биологические отходы с невостребованной энергией.
Извлечение этой энергии, полезная утилизация биомассы может осуществляться в биогазовых установках!
Усиление комплексной переработки сельскохозяйственной продукции с помощью микроорганизмов на пищу, топливо, удобрения не нарушает циклов элементов и может служить дополнительным источником энергии. Анаэробная переработка органических отходов (метаногенез) на топливо и удобрение находится в пределах возможностей современной биотехнологии и может быть использована для замены аэробной очистки.
Из-за транспортных ограничений микробная трансформация органики в топливо может осуществляться лишь на предприятиях, масштабы которых соответствуют локальному источнику органического вещества.
Развитие микробиологической отрасли по анаэробному превращению органических веществ это актуальная задача сегодняшнего дня. В зависимости от конкретной обстановки на первый план может выходить прямое получение энергии, экономия энергии в процессе очистки органических стоков, получение исходных восстановленных веществ из возобновляемых источников энергии (ВИЭ), получение энергии в виде моторного топлива, удобрений длительного действия.
Использование энергии из возобновляемых источников представляется возможностью решения ряда глобальных и региональных проблем, вызванных развитием энергетики, основанной на ископаемом топливе. Оптимистически предполагается, что потребление продуктов фотосинтеза способно обеспечить общество экологически безопасной технологией. При этом обычно называют цифры глобального фотосинтеза. Однако ⅓ годичного фотосинтеза приходится на Океан, который не может быть источником углерода, т.к. фитопланктон быстро используется в пищевых целях. Наземные системы дают 57∙1015 г углерода в год, из них 3∙1015 г сгорает, 3∙1015 г потребляют животные и до 40∙1015 г используют микроорганизмы. Таким образом, даже при глобальном подходе доступного для переработки углерода гораздо меньше обычно упоминаемых величин. Кроме того, доступность продуктов фотосинтеза — не глобальная, а локальная проблема. Продукция фотосинтеза за тысячи километров от места потребления служит не лучшим источником энергии, чем тропическое Солнце для жителей холодных регионов.
Современное использование биомассы можно считать использованием возобновляемых ресурсов только в том случае, если система обеспечивает соответствующее возрастание урожая.
Отсюда задачей становится интенсификация фотосинтеза возделываемых культур. Интенсификация возможна за счет более широкого применения удобрений, обработки земли, вывоза урожая, пестицидов, т.е. мероприятий, которые требуют значительных затрат энергии. Возможности для расширения сельскохозяйственных угодий для индустриальных стран практически исчерпаны. Так, для России и Северной Америки использование ресурса оценивается более 50 %, для Европы и Азии более 85 %, Африки — 22 %, Южной Америки более 11 %. Отсюда очевидно, что «топливные плантации» могут иметь лишь очень ограниченную перспективу.
Определенные надежды часто возлагают на фотосинтез водорослей, которые могут расти значительно быстрее, чем происходит наземная вегетация. Однако для культивирования водорослей требуется концентрация углекислоты и создание установок, сопоставимых по сложности с гидропоникой. Поскольку последняя дает пищевую продукцию, она, бесспорно, будет иметь приоритет. Вообще в альтернативе: пища или топливо приоритет должен быть отдан пище. Наглядным примером служило развитие гидролизной промышленности в СССР, которая использовала наиболее дешевую и доступную биомассу — лесные отходы.
Традиционная энергетика, основанная на газе, нефти, угле, несомненно приводит к исчерпыванию резервуара О2 быстрее, чем «зеленое топливо», одновременно производящее кислород, но она не требует таких огромных площадей и главное не конкурирует с производством пищи.
Тем не менее, анализ возможностей «зеленого топлива» как основного источника энергии приводит к пессимистическим выводам.
Оптимистический прогноз возникает лишь при рассмотрении возможностей анаэробного метаногенеза органического сырья (отходов) как многоцелевого процесса. Этот процесс, резко уменьшающий расход энергии при переработке, осуществляется сообществом микроорганизмов, которые способны из самых разнообразных органических веществ (кроме лигнина) образовывать смесь биометана с углекислотой, получившую название «биогаз».
Общие схемы переработки биомассы представлены в монографии [1].
Как известно, режимы биогазовых технологий в зависимости от температуры подразделяются на психофильный (15 – 20 ⁰С), мезофильный (30 – 40 ⁰С) и термофильный (52 – 56 ⁰С). Анаэробная переработка органических веществ, в биогазовых реакторах представляет собой сложный процесс. Он осуществляется в три основных этапа при участии целого ряда микроорганизмов. Первоначально группа микроорганизмов преобразует органические вещества в форму, которую вторая группа микроорганизмов использует для выработки органических кислот. А затем биометан-производящие анаэробные бактерии разлагают эти кислоты и завершают процесс переработки.
Анаэробные бактерии способны «переваривать» органический материал в отсутствии кислорода, в отличие от аэробного разложения при компостировании, которое требует много кислорода. Более сухой навоз, сложенный в кучи, под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагается, и разогревается в процессе разложения до 50 – 70 ⁰С.
Для увеличения концентрации метанобразующих бактерий в реакторе и интенсификации образования биометана используют способность микроорганизмов хорошо адсорбироваться на поверхностях твердого тела. В качестве иммобилизующих поверхностей используют стекловолокно, капроновые нитки, активированный уголь и другие материалы, причем выход биогаза увеличивается в 2 раза [2].
Также влияет на интенсивность метаногенеза температура.
Теоретические и практические исследования в области биологической переработки растительной биомассы, отходов животноводства и т.д. в биогаз показали, что активность бактерий и соответственно объем биогаза, получаемого в результате переработки, при прочих равных условиях напрямую зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс переработки, больше вырабатывается биогаза, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов. Так, при температуре от 52 до 56 ⁰С выработка биогаза идет в 1,5 – 3 раза быстрее, чем при 30 – 40 ⁰С, и достигается эффективное обеззараживание получаемых удобрений (активность бактерий и, следовательно, выработка биогаза существенно падает в интервале температур 51,7 и 39,4 ⁰С, и в меньшей степени от 35 до 0 ⁰С).
Сегодня интенсивность метаногенерации является одним из основных показателей эффективности технологии получения биогаза, и её повышение – приоритетная задача научных исследований и разработок. Также этот процесс очень чувствителен к таким факторам, как изменение в исходных материалах и к колебаниям температуры — метановые бактерии сравнительно легко выдерживают температурные колебания среды в биореакторе только в пределах 3 – 4 ⁰С/сутки.
Устойчивый процесс метаногенеза может быть осуществлен лишь при равномерной подаче однородного субстрата. В этом случае накапливается микрофлора, осуществляющая основной маршрут, и скорость процесса возрастает. Какие-либо перебои или изменения в составе субстрата, изменения физико-химического режима приводят к тем более длительной задержке, чем интенсивнее шел процесс до этого. Таким образом, не может быть универсальной установки для переработки органического сырья в биометан. Действующим инструментом является не сооружение, а микробное сообщество в нем. Поэтому рекордные возможности метаногенеза обычно бывают на откормочных пунктах, там, где длительная стабилизация состава навоза.
Недостатком подавляющего большинства эксплуатируемых в настоящее время биогазовых установок различных типов является то, что у них поддержание термофильного режима переработки отходов в биогаз обеспечивается за счет недопустимо высокого расхода различных высоколиквидных топлив (за счет сжигания ⅓ части вырабатываемого биометана). А при эксплуатации их в России зимой для них требуются изолированные помещения (укрытия), а значит и дополнительный расход энергии на поддержание в этих помещениях микроклимата.
Источник — Солнечная биогазовая установка.
