В статье описан процесс образования биогаза с побочным продуктом «эффлюент» и рассмотрены основные преимущества и недостатки существующих биогазовых установок.
Ключевые слова: биореактор, биогазовая установка, биомасса.
Биогазовые технологии позволяют утилизировать органические отходы. Утилизация от латинского «utilis» — полезный, то есть это повторное использование или возвращение в оборот отходов производства. После переработки биоотходов водородным или метановым сбраживанием получается два полезных продукта: биогаз — альтернативный источник энергии, который можно использовать для получения электроэнергии, тепла, а также топлива для транспортных средств; эффлюент — высококачественное органическое удобрение, которое не имеет запаха и эффективнее обычного навоза в пять раз.
В биореакторе биогазовой установки происходят процессы, которые позволяют получить вышеописанные продукты:
- гидролиз жиров, углеводов и протеинов до составляющих их полимеров;
- фаза окисления — отдельные молекулы проникают в клетки бактерий, где они продолжают разлагаться. В этом процесс частично принимают участие анаэробные бактерии, употребляющие остатки кислорода и образующие необходимые для метановых бактерий анаэробные условия;
- следующая стадия ацетогенеза — переработка бактериями сложных спиртов и карбоновых кислот. Оно происходит с выделением водорода и разложением до уксусной и муравьинй кислот, так же метанола;
- из продуктов ацетогенеза, с помощью метанобразующих бактерий, образуются углекислый газ и метан.
Если более обобщенно, то процесс образования биогаза и переработки биомассы в эффлюент возможен при полном отсутствии воздуха и во влажной среде. Таким образом, к конструкции биореактора предъявляются жёсткие требования. Он должен быть абсолютно герметичным, прочным, теплоизолированным, а материал, из которого сделана конструкция — устойчив к агрессивным средам, в частности повышенное сопротивление коррозии.
Рис. 1. Схема работы биогазовой установки
Все биореакторы по температурному режиму можно разделить на три большие группы:
− психрофильный режим, температура до 25°С;
− мезофильный режим, от 25°С до 45°С;
− термофильный режим, более 45°С;
При психрофильном и мезофильном режиме скорость протекания реакций, то есть скорость переработки биомассы небольшая. Активное газообразование начинается лишь через 30 -80 дней.
Так как биогазовые технологии стали известны ещё в далёкие времена, то самая простая конструкция биореактора, для психрофильного и мезофильного режимов работы, представляла собой выкопанную яму чем-либо закрытую сверху или герметичную ёмкость.
Преимуществом данной биогазовой установки является простота конструкции и обслуживания, небольшая стоимость.
Минусами таких установок являются: малое выделение биогаза; долгая и неполная переработка органического субстрата; содержание в переработанной биомассе вредоносной флоры.
Большое распространение получили биореакторы, работающие при термофильном режиме. Они позволяют намного быстрее и качественнее переработать биотходы, уже на 12 день начинается интенсивный процесс газообразования, вредоносная флора полностью уничтожается. Однако есть и минусы: большая чувствительность к перепадам температуры (снижение температуры перерабатываемой биомассы на всего 2°С существенно снижает выход биогаза), значительные затраты на поддержание температурного режима.
Разберём более детально плюсы и минусы различных конструкций термофильного биореактора.
— Большие стационарные биогазовые установки:
Преимущества: большой объём перерабатываемой биомассы, что позволяет собирать органические отходы с нескольких предприятий; интенсивный процесс газообразования; возможность с помощью дополнительного оборудования обеспечить электроэнергией целый населённый пункт.
Недостатки: цены на их строительство достигают десятков миллионов рублей; большие энергозатраты на поддержание режимов работы установки (поддержание температуры в биореакторе, перемешивание, транспортировка сырья и т. д.), повышенная опасность.
— Стационарные модульные биогазовые установки для небольших предприятий и фермерских хозяйств:
Плюсы: доступная цена; возможность наращивания/уменьшения производственных мощностей за счёт модульности; в отличии от других альтернативных источников энергии (гелиостанции и ветрогенераторы) могут работать при любой погоде.
Минусы: повышенные энергозатраты при работе с температурой окружающей среды меньше 0°С; частое несоответствие заявленных параметров с фактическими; из-за сложных конструкций биореактора пониженная ремонтопригодность.
— Домашние биогазовые установки:
У нас в стране не получили большого распространения из-за нецелесообразности использования. Значительная часть таких установок, из-за маленького объёма для перерабатываемого субстрата, даёт незначительный выход биогаза.
Таким образом, большинство современных биогазовых установок объединяет ряд недостатков: значительные энергозатраты на обслуживание установки, которые переходят в материальные затраты; низкая ремонтопригодность и надёжность; недостаточно интенсивный процесс газообразования. Но использование биогазовых технологий может способствовать решению ряда проблем как экологических, так и энергетических, поэтому нужно уделять всё больше внимания совершенствованию конструкции биогазовых установок.
Литература:
- В.Бадер, Е.Доне, М Бренндерфер. «Биогаз. Теория и практика». — М.: Колос, 1982. — 148 с.
- Технология получения сырья из отходов и сырья в сельском хозяйстве // Киберленинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tehnologiya-polucheniya-biogaza-iz-othodov-i-syrya-v-selskohozyaystvennom-proizvodstve.
- Принцип работы биогазовой установки // Альтернативная энергия. URL: https://altenergiya.ru/bio/biogazovaja-ustanovka.html (дата обращения: 29.01.2020).
