Получение биогаза и метана

В большинстве стран мира предпочтение отдается получению биогаза, главным образом, из органических отходов сельскохозяйственного производства, различных отраслей промышленности, городов и городских поселков.

Биогаз состоит из примерно 68-70% метана, 28-30% из углекислого газа и 1-2 % сероводорода, водорода, азота. Биогаз плохо растворяется в воде, по своим теплотворным свойствам он сравним с лучшими видами топлив. Его можно трансформировать в эдектрическую и тепловую энергии.

В1776 году Вольта установил наличие метана в болотном газе.

В начале 20 века русский ученый В.Л. Омельянский показал, что процесс образования метана на поверхности Земли (болота, озера, сточные воды) биологический и осуществляют его микроорганизмы, находящиеся в анаэробных условиях, т.е. без доступа воздуха. Позднее Кузнецов С.И. подтвердил это экспериментально и более того показал, что месторождения природного газа - продукт разнообразных биологических процессов, протекающих ранее.

Работы этих ученых показали также возможность промышленного превращения биомассы в метан. Причем на первом этапе реализации этой программы в качестве сырья для газообразного топлива (биогаза) будут использовать органические отходы с/х производства, различных отраслей промышленности, городов и гор.поселков. Конечно при таком разнообразии исходных материалов нужен не какой либо один вид бактерий а сообщество культур и групп микробов приспособленных к данному типу сырья. Кроме того, практически всегда нужна первичная обработка сырья, благодаря которой сырье разлагают на простые соединения.

Наиболее распространенной является микробиологическая безотходная технология производства биогаза, проблемы и перспективы которой неоднократно обсуждались в последнее время в печати. Диапазон при­менения этой технологии очень большой, начиная с простых отстойников, устроенных в земле в небольших крестьянских хозяйствах, до сложной технологии высокопроизводительных биогазовых установок (рис. 2). Принципы, лежащие в основе работы биогазовых установок, очень просты.

Органические отходы разлагаются в забытых реакторах под воздействием метаногенных бактерий, образуя метан, используемый для приготовления пищи и освещения. При этом в качестве ценного побочно продукта получают удобрение. В ряде развивающихся стран действует большое число биогазовых установок и реализуется ряд комплексных проектов в этой области.

Схема производства биогаза

Получение метана из органических отходов состоит в управляемом анаэробном сбраживании отходов при участии бактерий: органические вещества разлагаются без доступа кислорода в среде с регулируемыми параметрами.

Анаэробное сбраживание сложных отходов - двухстадийный процесс. На первой стадии кислотообразующие бактерии воздействуют на сложные вещества и преобразуют высокомолекулярные соединения (жиры, белковые вещества, углеводы) в низкомолекулярные (летучие кислоты). Анаэробные бактерии разлагают сложные органические полимеры, например, целлюлозу, белки, жиры и т.д. до более простых соединений - летучих газов, кислот, водорода, сероводорода, которые и служат пищей для метаногенерирующих бактерий.

Вторая стадия – ферментация (использование определенных ферментов), или выделение газа, в процессе которой и получается метан.

Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жизнедеятельность метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях. Субстратами для образования метана могут служить муравьиная и уксусная кислоты, метанол, газовые смеси (Н₂+СО, Н₂+СО₂). Поскольку биогаз практически получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образования применяют многокомпонентные микробные ассоциации.

Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и уксусную кислоты, Н₂, СО и т.д. Примером может служить метаногенная ассоциация «Мен1апоЪакШиз Кигпесеоуп», образующая метан при разложении биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).

Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов - продуцентов углеводородов как заменителей топлива. Это микроводоросли. В США действует ферма для выращивания водорослей с суммарной площадью водоемов 52 тыс. гектаров, дающая около 4800м³ жидких углеводородов в сутки. Для улучшения топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают гидрированию.

В производстве метана 90 – 95 % углерода биомассы превращается в метан. Благодаря указанной особенности до 90 % органического вещества в процессе развития бактерий, производящих метан, переходит в газ.

Анаэробное сбраживание нередко используется в установках по обработке сточных вод.

Метановое брожение происходит в водонепроницаемых цилиндрических контейнерах (дайджестерах) с боковым отверстием для ввода ферментируемого материала. Над дайджестером расположен стальной металлический контейнер в виде купола для сбора газа, он также препятствует поступлению воздуха во внутрь, так как этот процесс должен происходить в строго анаэробных условиях. В газовом куполе имеется труба для отвода биогаза.Дайджестеры изготовляют из кирпича, бетона, стали. Купол иногда из нейлона. Температура обычно 30-40 или 50-60 градусов, и против закисления применяют известь.

Получение метана - важный путь утилизации с/х отходов. Он получается в виде биогаза - смеси метана и СО₂. Присутствие СО₂ ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в засивисимости от соотношения СН₄/СО₂ составляет 20,9-33,4 кДж/м³.

Биогаз из отходов, получаемых в мировом животноводстве и растениеводстве в год, может на 10 % покрыть потребности современной энергетики в топливе.

В производстве биогаза биологические ферменты способны производить и ценную побочную продукцию. Так в России существуют предприятия производящие метан и побочный продукт витамин В₂, который зарекомендовал себя как прекрасная кормовая добавка особенно в свиноводстве. Сырьем здесь служат отходы пищевой промышленности и других микробиологических производств. Особенно развито производство метана в США, Японии, Бразилии, Индии.

После переработки органического субстрата в биогаз остается материал, представляющий собой ценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение.

С помощью микробной биомассы можно получать кислоты, спирты, углеводы. Производство биогаза способствует не только решению энергетической проблемы, но и экологической.

Получение биогаза - процесс, отличающийся простотой оборудования и доступностью сырья, требует небольших капиталовложений.

В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10-15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти человек.