Современные биогазовые установки и их технико-экономические показатели

Главным звеном биогазовой установки является реактор для сбраживания навоза, по типу которого составлена классификация биогазовых установок, предназначенных для сбраживания навоза различного вида и состава.

Различные конструктивные и технологические решения относятся к так называемым реакторам первого поколения – традиционным метантенкам. Эти метантенки иногда имеют две или более секций, в которых осуществляется частичное разделение стадий анаэробного сбраживания.

Конструкции метантенков достаточно разнообразны, отличаются главным образом гидравлическим режимом (проточные или периодического наполнения) и способами загрузки (непрерывный или периодический).

При непрерывной (проточной) схеменавоз загружают через определённые промежутки времени (до 10 раз в сутки), удаляя такое же количество сброженной массы. При соблюдении всех условий сбраживания такая схема позволяет получить максимальный выход биогаза.

При периодической схеме метантенки (их обычно два) загружают по очереди. При этом свежий навоз смешивают с остатками сброженного навоза. Газ начинает образовываться по истечении 5-10 суток и при достижении максимального количества постепенно снижается до минимума. Затем сброженный навоз выгружают и метантенки снова загружают свежим навозом.

В анаэробных навозохранилищах предусматривается применение синтетических покрытий для сбора биогаза, поддержание температуры и рН, осторожное перемешивание, рециркуляция находящегося в них навоза. Преимуществом анаэробных навозохранилищ является простота их устройства, а также низкая чувствительность к содержанию взвешенных веществ; недостатком – потребность в больших площадях, а также большие потери теплоты в зимнее время.

Подавляющая часть биогазовых установок, действующих в западноевропейских странах, работает в мезофильном режиме, т. е. сбраживание осуществляется при 30-37°С. В Японии, Германии и Швейцарии начали применяться новые психрофильные процессы брожения, протекающие при температуре окружающей среды (табл.14.2).

Таблица 14.2. Характеристики биогазовых установок

Европейских стран

По мнению зарубежных экспертов, это направление как более экономичное может получить дальнейшее развитие в ближайшей перспективе.

Использование термофильных процессов для сбраживания навоза при 50-55°С редко встречается в практике выше указанных и других наиболее развитых в этом отношении стран.

Из представленных данных следует, что до сих пор нет единого мнения о наиболее экономичном температурном режиме анаэробного сбраживания. Это же относится и к режимам работы современных установок, построенных в Российской Федерации, в которых навоз обрабатывается при температуре 35°С (Истра), 40°С (КОБОС) и 55°С (БФ-500) (табл.14.3).

Таблица 14.3. Технические характеристики биогазовых

Установок России

По продолжительности обработки навоза и дозе суточной загрузки использующиеся в практике биогазовые установки значительно отличаются (от 5 до 30 суток – время обработки и соответственно от 3,3 до 20% - доза суточной загрузки). Удельный объём метантенков в расчёте на одну условную голову составляет от 2,57 м³/гол (Венгрия) до 0,625 м³/гол (КОБОС); удельный выход биогаза от 0,5 до 2,0 м³/гол.

Специалистами отмечается, что метаногенез требует значительных затрат тепловой энергии на осуществление процесса. Чем выше температура, тем выше затраты дополнительного тепла. Поэтому повышение скорости метаногенеза за счёт температурного эффекта имеет некоторые негативные стороны. Экономическая эффективность биогазовых установок зависит от конкретных условий района и хозяйства, где планируется их использование.

В северных районах в целях экономии топлива предпочтительно использовать мезофильный режим, при котором увеличиваются время удержания и рабочий объём реакторов. Примером могут служить конструкции биогазовых установок, разработанных фирмой «AB Enbom» (Финляндия), работающих в условиях Лапландии при температурном режиме ферментации 33°С.

В отдельных случаях с целью снижения тепловых затрат и для увеличения выхода товарного биогаза процесс метаногенерацииразделяют на две фазы: кислото- и метаногенную. Первую осуществляют при 30-35°С, вторую – при 55°С.

Показатели выхода биогаза на этих реакторах находятся в полном соответствии с удельной нагрузкой на единицу объёма реакторов и составляют от 0,67 до 2,55 м³/сут.

Установка КОБОС-1 предназначена для переработки жидкого навоза влажностью 89-96% в качественное, частично обеззараженное и дезодорированное удобрение с одновременным улучшением санитарного состояния зоны животноводческих комплексов и получением биогаза. Применяется в составе технологических линий переработки навоза на комплексах и фермах с механическим и гидравлическим способами удаления навоза.

Биофильтр БФ-500 предназначен для анаэробной очистки жидкого свиного навоза после его предварительного разделения на фракции с получением биогаза.

Биогазовые установки БГУ-25, БГУ-50 и БГУ-100 разработаны для фермерских хозяйств, например для свиноферм на 100, 250 и 500 голов, для санитарной обработки навоза и получения биогаза, который используется для приготовления кормов.

Эффективность биогазовых установок изменяется в широких пределах, поскольку она сильно зависит от природно-климатических условий, эксплуатации, вида, состава и состояния исходных материалов для сбраживания, технологических и технических параметров установки и режима её работы. Чем выше зона энергоносителя, с которым ведётся сравнение (жидкое топливо), тем более эффективными будут биогазовые установки.

На основании проведённых в Германии экономических расчётов было установлено, что можно гарантировать экономичность биогазовых установок, если удельные первоначальные капитальные вложения на 1 усл. гол. не превышают 1000-2000 немецких марок, а удельный выход полезно используемого газа не менее 0,4 м³ с 1 кг сухого органического вещества.

По данным американских исследователей себестоимость производства биогаза составляет для биогазовых установок, работающих в непрерывном режиме – 0,27-0,52 долл./м³. С учётом эффекта от дезодорации и использования высококачественного удобрения себестоимость производства 1 м³ биогаза снижается на 15-20% по сравнению с затратами только на получение биогаза. Показатели капитальных удельных вложений и ежегодных эксплуатационных затрат при производстве биогаза из навоза на крупных откормочных площадках с поголовьем от 1 до 100 тыс. голов КРС (для условий США) приведены в табл.14.4.

Таблица 14.4. Стоимостные показатели производства биогаза на откормочных площадках США

Экономически наиболее целесообразно производить биогаз на средних (от 1 до 10 тыс. гол.) и крупных (свыше 10 тыс. гол.) откормочных площадках. Данные свидетельствуют также о том, что себестоимость производства биогаза чрезвычайно высока и в отдельных случаях может быть на порядок выше, чем себестоимость традиционного вида топлива. Это связано с тем, что этот показатель рассчитывается без учёта других экономических эффектов, связанных с использованием биогазовых установок.

Биометаногенез

Биометаногенез или метановое брожение – давно известный процесс превращения биомассы в энергетически ценный материал (метан). Открыт данный процесс в 1776 г А. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе.

Сырьем для производства биогаза являются:

- различная растительная биомасса, т.е. несъедобные части сельскохозяйственных растений;

- отходы древесины, т. е. сырье с высоким содержанием целлюлозы, которое трудно поддаётся методам переработки, но эффективно сбраживается и трансформируется в биогаз (рис.14.2).

Рис. 14.4.Метано- гены– анаэробы

Рис. 14.3.Консорции микроорганизмов

Рис. 14.2.Древесинные отходы

- Отходы перерабатывающей промышленности.

- Специально выращенные культуры, такие как водяной гиацинт, гигантские бурые водоросли.

- Жидкие отходы сельскохозяйственных ферм.

- Промышленные и бытовые стоки и ил очистных сооружений.

- Мусор городских свалок.

Первая фаза производства метана. В производстве биогаза как нигде в других производствах важны не отдельные чистые виды микроорганизмов, а их консорции. Они обладают более высокой биодеградационной активностью, чем отдельные виды и штаммы микроорганизмов. Именно состав микроорганизмов в консорции определяет эффективность разложения тех или иных видов сырья (рис. 14.3).

Первая стадия метанового брожения – кислотная – осуществляется различными микроорганизмами, способными к спиртовому, маслянокислому, пропионовому, ацетонобутиловому и другим видам брожения (энтеробактерии, клостридии, стрептококки, лактобациллы).

Активную роль в диструкции органической массы играют целлюлозоразрушающие микроорганизмы. От их наличия и активности зависит разложение наиболее трудноразлагаемых компонентов сырья. В превращении органических кислот в уксусную кислоту важную роль играют ацетогены – специализированная группа анаэробных бактерий. Это прежде всего клостридии, в частности Clostridium thеrmoaceticum.

Они превращают органические кислоты в уксусную кислоту, водород и окислы углерода. Ацетогенная стадия процесса наиболее тесно связана со второй основной фазой образования биогаза – уже собственно с образованием метана. Установлено, что некоторые метаногенные бактерии при понижении концентрации водорода в среде до определенного уровня перестраиваются на ацетогенный метаболизм.

Вторая фаза. Метаногены широко распространены и активно участвуют в деструкции органических веществ с образованием углекислоты (биогаза) в анаэробных зонах: в морских осадках, болотах, речных и озерных илах.

Третья фаза. Все известные метанобразующие бактерии могут получать энергию в результате окисления водорода и превращая углекислоту в метан.

Одни метаногены являются автотрофами и используют для роста только смесь водорода и углекислоты, другие, являясь гетеротрофами, используют муравьиную и уксусную кислоты, а также метанол и метиламины.

Метаногены – облигатные анаэробы, среди которых имеются аллофилы, мезофиллы и термофилы. Некоторые из них способны к росту в соленых водоемах и даже в насыщенном растворе соли (14.4). Развиваются они в кислой среде при температуре от 4 до 97° и даже до 250°С. Метаногенез – один из древнейших процессов, производимый бактериями с Архея до наших дней. Такие бактерии называют архебактериями и оценивают их возраст в 3,0-3,5 млрд. лет. Архебактерии отличаются от прокариотических микроорганизмов отсутствием муреина в клеточной стенке, специфическим составом липидов, специфической нуклеотидной последовательностью рибосомальной РНК, наличием специфических компонентов метаболизма.