V. Анаэробное сбраживание
Анаэробное сбраживание – важный процесс, который может проходить в различных органических твердых и жидких веществах, превращая их в биогаз, при котором большое значение имеет присутствие метана (более 60 %). Отходы сбраживания формируют шлам, называемый дигестатом, который во многих случаях можно использовать в сельском хозяйстве за счет высокого содержания в нем азота, а также в качестве удобрения или, по меньшей мере, как почвоулучшитель.
Для анаэробного сбраживания можно использовать различные исходные материалы, предназначенные для уничтожения после использования, либо материалы, специально для этого произведенные. Ниже перечислены наиболее значимые из них:
Отходы животноводства и сельскохозяйственного производства;
Осадки после обработки сточных вод;
Концентрированные аммиачные воды от органического промышленного производства (сахарные заводы, спиртоводочные заводы, производство амидов и др.);
Органическая биоразлагаемая часть твердых бытовых отходов;
Энергетические сельскохозяйственные культуры (маис, мискантус, …), специально выращиваемые для анаэробного сбраживания и производства биогаза.
Некоторые из перечисленных материалов можно смешивать для получения исходного сырья для сбраживания, так как частично такое сырье содержит ферментирующие бактерии и, следовательно, повышает скорость сбраживания (например, отходов животноводства), а также приводит к высокой выработке биогаза (энергетические сельскохозяйственные культуры).
Анаэробное сбраживание может проходить в очень простых, традиционных закрытых баках или в более современных установках с возможностью контроля. Материалы могут подаваться партиями или по непрерывной схеме. Но в любом случае, важнейшими параметрами, необходимыми для того, чтобы трансформация исходного органического субстрата в биогаз прошла на качественном уровне, являются подходящее время выдержки (15 – 40 дней), средняя либо высокая температура (до 50 – 55 °C при термофильном сбраживании с максимальной динамикой трансформации), контролируемая нейтральная среда, хорошая суспензия твердых веществ (биомассы и отделившегося органического вещества) в реакционной жидкости.
Полученный биогаз можно направлять непосредственно в двигатель для выработки электроэнергии, которая будет подаваться в распределительную сеть, или в котлы для получения тепловой энергии. Разные способы комплексной выработки энергии являются положительными с точки зрения экологического баланса, однако за счет того, что обычно установки для сбраживания располагаются в отдаленных районах или, как правило, в сельскохозяйственных областях, зачастую крайне сложно использовать получаемое тепло и вариант электроэнергии является предпочтительным.
Рис. 6 – Схема анаэробного сбраживания
Полученный биогаз можно подвергнуть дальнейшему процессу сепарации, результатом которого будет получен биометан. Он подается в системы природного газа и используется в автомобильных двигателях, что позволяет избежать локального воздействия на атмосферу и не использовать органическое топливо. Данная технология в настоящее время используется в некоторых регионах Северной Европы, однако ее экономическая рациональность напрямую зависит от затрат и цен на исходное сырье, а также сумм, которые распределительная сеть платит за данный вид топлива.
Помимо этого, важным звеном анаэробного сбраживания является выработка биоводорода за счет того, что при контролируемых химическом и биологическом процессах в метантенке возможно остановить трансформацию органического субстрата на стадии газа богатого водородом до того, как будет получен окончательный биогаз. Однако в настоящее время данная технология находится только лишь на стадии пилотной демонстрационной установки.
Конечным назначением дигестата, который с точки зрения материального баланса является очень важным побочным продуктом сбраживания, может стать, как это и предполагалось, его положительное использование в сельском хозяйстве. Однако это также может вызвать ряд локальных проблем с его приятием, так как в грунтовых водах может подняться уровень азота, при применении на полях может появиться неприятный запах, начаться остаточное формирование и выброс в атмосферу метана. С этой точки зрения правильное использование дигестата, управление таким использованием и его внедрение должны тщательно контролироваться.
Кроме того, важен тот факт, что анаэробное сбраживание, применяемое в местах хранения твердых бытовых отходов, – это хорошо стабилизированный традиционный источник получения биогаза, который необходимо использовать как с точки зрения получения энергии, так и с точки зрения ограничения воздействия на окружающую среду. В любом случае, важно учитывать тот факт, что в области обращения с твердыми бытовыми отходами такое решение, как свалки, все чаще заменяют более удобными и контролируемыми решениями (разделение и переработка, изготовление компоста, энергетическая утилизация отходов), а следовательно, свалки начинают использоваться все реже. Факт ограниченной энергетической эффективности как с точки зрения времени на трансформацию, так и эффективности выработки биогаза, лимитирует интерес к данной технологии в ее строго энергетическом аспекте.