Анаэробная переработка биомассы

В последние годы за рубежом и в странах СНГ всё больше внимания уделяется такому способу переработки биомассы, как её анаэробное сбраживание. Этот способ особенно актуален для переработки отходов сельскохозяйственного производства и, прежде всего, навоза и навозных стоков животноводческих предприятий.

Сущность анаэробного процессапереработки биомассы заключаетсяв следующем:

1. В отсутствие кислорода некоторые микроорганизмы способны получать энергию, непосредственно перерабатывая углеродсодержащие соединения, производя при этом метан (СН₄), углекислый газ (СО₂) и попутные газы (водород, кислород, аммиак, сероводород и др.), в общем количестве составляющие единицы процентов. Получаемая смесь газов называется биогазом.

2. При анаэробном метановом сбраживании навоза решаются три важные задачи.

Первая состоит в том, что производится хороший энергоноситель – биогаз, который даже без очистки от примесей имеет энергосодержание от 20 до 25 МДж/м³ (в среднем принимается 23 МДж/м³).

Вторая заключается в полезном экологическом эффекте. В сброженной массе оказываются практически обезвреженными семена сорняков и, в значительной степени, ликвидируются болезнетворные микроорганизмы.

Третья задача заключается в том, что после анаэробной обработки получают органическое удобрение. Его ценность как удобрения в повышенной биологической активности, по сравнению с традиционными формами переработки (отстаивание и естественная аэрация, компостирование) существенно улучшается, поскольку потери основных питательных веществ (N, P, K) отсутствуют.

Переработка навоза осуществляется в биогазовых установках (БГУ). В странах Западной Европы насчитывается несколько тысяч средних и крупных, а в странах Азии (Китай, Индия), эксплуатируются миллионы мелких (семейных) БГУ. Схема БГУ в упрощённом варианте представлена на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Схема биогазовой установки

Навозные стоки влажностью 90-93% (исходное сырьё) поступают в сборник сырья (1), оборудованный мешалкой – гомогенизатором (2), где доводятся до однородной консистенции и заданной кислотности. При этом из полученной массы удаляются крупные примеси. Далее, проходя через теплообменник – утилизатор (3), исходное сырьё подогревается и подаётся в метантенк (4), где происходит процесс анаэробного сбраживания. Для активного брожения необходимо периодическое перемешивание перерабатываемой массы и поддержание заданной температуры внутри метантенка (5).

Существует три режима брожения:

1. Психрофильный -при температуре 15-25°С;

2. Мезофильный– при температуре 30-40°С;

3. Термофильный– при температуре 45-55°С.

Для поддержания температуры в метантенке установлен теплообменник-подогреватель (6), в который подаётся горячая вода от водогрейного котла (8).

Метантенк заполняется навозной массой на 80% объёма. В верхней, незаполненной части скапливается биогаз, который постоянно отбирается и подаётся в газгольдер (7), где временно хранится. Из газгольдера биогаз поступает в топку котла (8), а затем на выход, для дальнейшего производственного использования. Сброженный остаток, выходящий из метантенка, имеет температуру режима брожения. В теплообменнике 3 он отдаёт тепловую энергию исходному сырью и поступает в навозохранилище 9.

В процессе анаэробного брожения степень разложения органического вещества навоза не превышает 47%. Удельный расход энергии на получение 1 м³ биогаза для термофильного режима равен 5,5 кВт_·ч, что в 1,5 превышает энергозатраты для мезофильного режима (3,7 кВт_·ч/м³).

Однако эти цифры справедливы для БГУ, не оборудованной теплообменником-утилизатором. При использовании теплообменника с коэффициентом утилизации теплоты в пределах от 0,3 до 0,5 энергозатраты для термофильного режима можно уменьшить до уровня мезофильного. При этом время обработки навозных стоков при термофильном режиме – 5-8 суток, а при мезофильном – до 20 суток, так как метантенк для работы в термофильном режиме имеет меньший объём. Он менее материалоёмкий, его проще термоизолировать и механизировать.

При производстве электроэнергии из биогаза в электрический ток преобразуется всего 30% его энергоресурса, основная часть – отбросная теплота. Её можно использовать при нагревании воды для бытовых нужд и содержания скота, отопления жилых помещений и теплиц, подогрева воздуха для сушилок, а также при регулировании микроклимата в животноводческих помещениях и нагреве навоза до нужной температуры брожения в биогазовых реакторах.

Выход навоза от сельскохозяйственных животных и птицы и количество получаемого из него биогаза приведены в табл.14.1.

Таблица 14.1. Показатели выхода биогаза из навоза животных

И птицы

Кроме того, метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодорацию, дегельминтизацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями минеральную форму. При этом питательные для растений вещества – азот, фосфор и калий – практически не теряются.