Черемохин Д. А.
Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск, Россия
Биогаз:
энергия подаренная природой
В современном
мире огромное внимание уделяется проблемам охраны окружающей
среды. Трудно представить себе деятельность человека, будь то небольшой бизнес
или крупное предприятие, без решений, направленных на охрану природы, и
экологического мониторинга.
Когда мы слышим
фразу «экология и технологии», то, в первую очередь, на ум приходят понятия:
энергосберегающие технологии, очистные сооружения, экономное использование
природных ресурсов, альтернативные источники энергии и т.д.
При внедрении
новых технологий всегда стоит вопрос о влиянии их на окружающую среду. Без
решения данного вопроса сегодня не осуществляется ни один проект, к какой бы
сфере деятельности человека он не относился [1].
Актуальность темы.
Одним из ответов
на проблемы современной экологии является разработка альтернативных видов
топлива. В настоящее время среди
традиционных способов получения энергии имеются: ветряные, солнечные,
геотермальные. Однако все они требуют дорогостоящего оборудования и зависят от
территориального фактора. Одним из забытых видов сырья является биогаз, который
использовали еще в Древнем Китае, и вновь открытый в наше время.
Используя
биогаз, можно решить сразу несколько проблем: утилизация органических отходов, получение дешёвого
топлива и органических удобрений.
Проблема с
утилизацией различного рода мусора остро стоит не только в нашей стране, но и
во всем мире. Во многих странах эту проблему решают, перерабатывая мусор в
биогаз.
Сырьем для
получения биогаза является биомасса, которая представляет собой эффективный,
возобновляемый источник энергии. Понятие «биомасса» используется в общем смысле
как животно-растительное сырье и в более узком – как сырье для биогенератора.
На современном уровне за счет биомассы можно перекрыть 6-10% от общего
количества энергетических потребностей промышленно развитых стран.
Биогаз образуется
в результате деятельности 3 типов бактерий: первый тип – гидролизные или
ацетогенные бактерии, выделяющие гидролитические ферменты, под действием
которых органические соединения (белки, жиры, углеводы) биомассы начинают
распадаться на простейшие структурные элементы органических полимеров
(аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты). Второй тип бактерий – это
гомоацетатные бактерии, под действием которых происходит гидролизное окисление
простейших органических веществ до ацетатов, диоксида углерода и свободного
водорода. Третий тип бактерий представляет собой метаногенные (метанобразующие)
бактерии, которые перерабатывают питательные соединения второго типа бактерий,
в метан, диоксид углерода и воду. От состава биомассы зависит количество
получаемого из нее биогаза. В
результате получается дешевое биотопливо и улучшается состояние окружающей
среды [2].
На территории
Томской области нет ни одной биогазовой установки, в то время как использование
биогаза экономит затраты на электроэнергию.
Основными компонентами
биогаза являются: метан (55-70%) и углекислый газ (28-43%), а также в очень
малых количествах другие газы, например, сероводород [3].
Средняя теплота
сгорания биогаза, содержащего около 60% метана, равна 22 МДж/м3.
Поскольку горючая часть биогаза состоит из метана, его причисляют к семейству
природных газов.
Кроме того,
после получения биогаза остается шлам (твердый осадок), который можно
использовать в качестве полезного органического удобрения в сельском хозяйстве [4].
Цель работы.
Получение в лабораторных
условиях пробного образца биогаза и оценка целесообразности использования его в
качестве топлива.
Материалы и методы.
Основными
элементами биогазовых установок являются: реактор для биомассы (метантенк или
биогенератор, бродильная камера), для которого характерна полная герметичность,
надежная теплоизоляция и стойкость к коррозии; газгольдеры, нагревательные
системы, а так же устройства для перемешивания субстрата [5].
В лабораторных
условиях был сконструирован метантенк-биогенератор на основе аппарата Киппа,
который изготавливается из стекла и состоит из основных частей: колбы-реактора
с резервуаром, воронки с длинной трубкой, газоотводной трубки и ловушки для
улавливания паров.
Для получения
биогаза использовалась биомасса, состоящая из животно-растительного сырья
(куриный помет, опад листьев общей массой 1 кг) и воды. После предварительной
оценки кислотности (значение pH ≈ 7,5-7,6) биомассу
загружали в экспериментальную установку, затем герметично упаковывали и
накрывали теплоизоляционным материалом. Установку термостатировали при 35-40оС,
что является достаточным для нормальной жизнедеятельности бактерий.
Через трое суток
из установки осторожно был выпущен воздух для того, чтобы в ней остался лишь
биогаз, после чего реактор подвергался повторной герметичной упаковке.
Периодически,
один раз в неделю, проводилась проба на присутствие в биогенераторе
достаточного количества биогаза: для этого к газоотводной трубке подносили
горящую спичку. Если выделяющийся газ
загорался, то это свидетельствовало о том, что процентное соотношение по
объему в биогазе горючего газа (метана)
было больше, чем негорючих газов (углекислый газ, водород и др.).
Положительный результат наблюдался спустя три недели: за это время процесс
анаэробного сбраживания изолированной биомассы считался завершенным полностью.
В ходе
эксперимента было получено 0,5 литра биогаза, которого хватило, чтобы нагреть
20 мл воды на 50○С, следовательно, была получена тепловая
энергия равная 1 ккал.
Полученные в ходе эксперимента данные и
расчеты показали, что 1м3 биогаза может дать при сгорании 2000 ккал
тепловой энергии. Оставшийся в биореакторе сухой остаток может быть использован
в качестве эффективного удобрения, которое содержит в себе помимо полезных
органических веществ, незаменимые для жизненных процессов растений соединения
азота, калия и фосфора.
Выводы.
Результаты
исследовательской работы показали, что созданный в лабораторных условиях
простейший биогенератор оказался экономически выгодным и позволил за три недели
получить около 0,5 дм3 (н.у.) биогаза. Благодаря высокой
калорийности, биогаз может стать достойной заменой традиционным видам топлива.
Томская область обладает достаточными ресурсами для проектирования и реализации
обеспечения регионов промышленными биогазовыми установками. Биогаз можно
использовать в сельском и домашнем хозяйстве для нагрева воды, отапливания помещений, а так же как топливо для
автомобилей и других нужд. Биогаз целесообразно получать и использовать не только в качестве дешевого источника
энергии, но и с целью утилизации отходов органического происхождения, которые
пагубно влияют на окружающую среду.
1.
Сергей
Передерий. Метан из биомассы. EKO Holz-und Pellethandel GmbH: Дюссельдорф, Германия (ИНТЕРНЕТ).
2.
В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер Биогаз. Теория и практика. М.: Колос, 1982.
С.13-14.
3.
Агаджанян Н. А, Ушаков И. Б, Торшин В. И. и др.; Под
общ. ред. Н. А. Агаджаняна. Экология человека: Словарь-справочник. М.: ММП
«Экоцентр», издательская фирма «КРУК», 1997. С.25.
4.
Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды. М.: Мир;
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. С.21-53.
5.
Барбара Эдер. Ганц
Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие. М.: Астрель, 2006. 250 с.