Технические науки/5.Энергетика

Пестрикова И.Е., Пестриков М.Е.,

Пестрикова Л.Е., Панарина И.В., Лопатина Л.Г.

Омский государственный технический университет, Россия

К вопросу об использовании биогаза

Защита климата и природных ресурсов являются проблемами мирового масштаба, требующими усилий по их решению на глобальном уровне. Важную роль при этом могут сыграть индустриально развитые страны, которые имеют высокую потребность в ископаемых ресурсах.

При условии обеспечения приоритетности производства продуктов питания, существенный вклад в решение этих проблем может быть осуществлен со стороны сельского и лесного хозяйства, посредством предоставления возобновляемых ресурсов для использования в производстве энергии и материалов. При этом открывается огромное многообразие вариантов использования данного сырья. Продукты и изделия, изготовленные из возобновляемого сырья, используются во многих сферах повседневной жизни.

За последние годы существенно изменились пути и технологии использования возобновляемого сырья. Глубокие исследования и разработки позволили достичь эффективного и разумного использования возобновляемых ресурсов. Доступными стали передовые технологии энергетического и промышленного использования сырья.

Биогаз и технологии его производства являются важной частью устойчивого энергосбережения наряду с биоэнергоносителями. С точки зрения децентрализованного энергосбережения, охраны окружающей среды и сельского хозяйства преимущества биогаза бесспорны. Сегодня из биогаза производятся не только электроэнергия и тепло, но и биометан, обладающий качествами природного газа.

В настоящее время ведущие позиции по применению биогаза занимает Германия. Самое большое количество биогазовых установок расположено на территории именно этого государства (более 7000) [1, с.15].

Биогаз образуется в ходе биологического процесса. Без доступа кислорода (то есть, в анаэробных условиях) из органической массы образуется газовая смесь, так называемый биогаз. Этот широко распространенный в природе процесс происходит, например, в болотах, на дне озер, в навозных ямах, а также в желудках жвачных животных. При этом ряд микроорганизмов почти полностью преобразует органическую массу в биогаз. Дополнительно образуются определенные количества энергии (тепла) и новой биомассы.

Образовавшаяся газовая смесь состоит преимущественно из метана (50-75 об.%) и углекислого газа (25-50 об.%). Вместе с тем в биогазе также содержатся незначительные количества водорода, сероводорода, аммиака и других газов. На состав, в основном, влияют используемые субстраты, технология ферментирования и различное техническое исполнение. Процесс образования биогаза можно разделить на несколько этапов (см. рис.1). При этом отдельные этапы разложения должны быть оптимально адаптированы друг к другу для обеспечения бесперебойного хода всего процесса.

На первом этапе, «гидролиз», сложные соединения исходного материала (напр., углеводы, белки, жиры) расщепляются на более простые органические соединения (напр., аминокислоты, сахар, жирные кислоты). Для этого принимающие участие в процессе гидролитические бактерии выделяют энзимы, которые обеспечивают биохимическое разложение материала.

Затем образовавшиеся промежуточные продукты на так называемом «этапе подкисления» (кислотогенез) под воздействием ферментативных (окисляющих) бактерий подвергаются дальнейшему разложению на низшие жирные кислоты (уксусная, пропионовая и масляная кислота), а также углекислый газ и водород. Наряду с этим также образуются незначительные количества молочной кислоты и спиртов. Вид образующихся на этом этапе продуктов зависит от концентрации образующегося промежуточного водорода.

В процессе подкисления, «образования уксусной кислоты», эти продукты затем под воздействием ацетогенных бактерий преобразуются в субстанции, из которых позднее образуется биогаз (уксусная кислота, водород и углекислый газ). В этой связи большое значение имеет парциальное давление водорода. Слишком большое содержание водорода по энергетическим причинам препятствует преобразованию промежуточных продуктов в ходе кислотогенеза. Вследствие этого органические кислоты, например, пропионовая кислота, iso-масляная кислота, iso-валериановая кислота и капроновая кислота, обогащаются и замедляют образование метана. Ацетогенные бактерии (водородообразующие бактерии) по этой причине должны жить в тесном симбиозе с поглощающими водород метаногенными археями, которые в процессе образования метана наряду с водородом используют углекислый газ (межвидовая передача водорода) и таким образом обеспечивают приемлемые условия среды для выделяющих уксусную кислоту бактерий.

На следующем «этапе метаногенеза», последнем шаге образования биогаза, строго анаэробные археи перерабатывают, прежде всего, уксусную кислоту, а также водород и углекислый газ в метан. Гидрогенотрофные метаногены производят метан из водорода и углекислого газа, а ацетатные метаногены, напротив, путем расщепления уксусной кислоты. В условиях, которые преимущественно царят в сельскохозяйственных биогазовых установках, образование метана при более высоких объемных нагрузках происходит преимущественно в ходе водородных реакций и только при относительно низких объемных нагрузках в ходе реакций по разложению уксусной кислоты. Но данные, полученные в ходе ферментации осадков сточных вод, о том, что метан на 70 % образуется в результате расщепления уксусной кислоты и только на 30 % из водорода, действительны на сельскохозяйственных биогазовых установках только для высокопроизводительных реакторов с очень коротким временем пребывания. Новые исследовательские работы доказывают, что межвидовая передача водорода по-видимому становится шагом, который определяет скорость [1, с.20-21].

Одноступенчатый процесс состоит из четырех параллельных по времени фаз анаэробного разложения. Но так как бактерии отдельных этапов разложения предъявляют различные требования к своему жизненному пространству (например, показатель рН, температура), для обеспечения технологического процесса должен быть найден компромисс. Так как метаногенные микроорганизмы вследствие малой скорости роста являются самым слабым звеном биоценоза и чувствительнее всего реагируют на неполадки, условия среды должны быть адаптированы к требованиям метанообразующих бактерий. Попытка отделить гидролиз и образование кислоты от образования метана при помощи двух пространственно разделенных технологических этапов (двухэтапный процесс) на практике удается только относительно, так как несмотря на низкий показатель рН на этапе гидролиза (рН < 6,5) все равно частично образуется метан. Поэтому образовавшийся гидролизный газ наряду с углекислым газом и водородом содержит метан, из-за чего гидролизный газ нужно подвергать переработке или обработке, чтобы избежать негативного воздействия на окружающую среду и рисков в сфере безопасности [2, с.118-119].

В зависимости от конструкции и способа эксплуатации биогазовой установки, а также характеристик и концентрации используемой в качестве субстрата сырой массы при многоэтапных процессах на отдельных участках реакторов могут возникать различные условия среды. Условия среды, в свою очередь, влияют на состав и активность микробного биоценоза и таким образом имеют непосредственное влияние на образовавшиеся продукты обмена веществ.

При описании условий среды следует различать мокрую и твердофазную ферментацию (также называется сухой ферментацией), так как между этими технологиями существуют отличия, в особенности по содержанию воды и питательных веществ, а также перекосу веществ. Исходя из преимущественного применения на практике, чаще применяется мокрая ферментация [3, с.393].

Биогаз – это газовая смесь, которая преимущественно состоит из метана (СН₄) и углекислого газа (СО₂), а также водяного пара и других газов в незначительных объемах.

Значение имеет в первую очередь содержание метана, так как он является горючим компонентом биогаза и напрямую влияет на его калорийность. Целенаправленным управлением процесса на состав биогаза можно повлиять лишь ограниченно. Он, в первую очередь, зависит от состава сырья. Кроме того, на содержание метана влияют технологические параметры, такие как температура брожения, степень загрузки реактора и гидравлическое время пребывания, а также нарушения технологического процесса и применяемый метод биологического обессеривания.

Получаемый объем метана при этом в основном определяется составом используемого субстрата, то есть процентным содержанием жиров, белков и углеводов. При этом удельные объемы получения метана названных групп веществ снижаются в названной здесь последовательности. Приведенные к массе жиры позволяют получить больше метана по сравнению с углеводами.

Касательно качества газовой смеси важную роль играет концентрация остаточного сероводорода (H₂S). Она, с одной стороны, не должна быть слишком высокой, так как сероводород даже небольшой концентрации оказывает ингибирующее воздействие на процесс разложения. С другой стороны, высокая концентрация H₂S в биогазе приводит к коррозии на блочных ТЭЦ и отопительных котлах [4, с.1435]. Обзор среднего состава биогаза дан в таблице 1.

Таблица №1

Средний состав биогаза

Компонен	Концентрация
Метан (СН4)	50-75 об. %
Углекислый газ (СО2)	25-45 об. %
Вода (Н2O)	2-7 об. % (20-40 ^ºС)
Сероводород (H2S)	20-20 000 ррm
Азот (N2)	<2 об. %
Кислород (О2)	<2 об. %
Водород (Н2)	<1 об. %

Таким образом, получение и применение биогаза является перспективной отраслью отечественной топливно-энергетической промышленности. Сегодня производство в России биогаза составляет до 72 млрд. м³ в год. Потенциально возможное производство из биогаза электроэнергии в год составляет 151200 ГВтч, тепла – 169344 ГВтч. В России агрокомплекс ежегодно производит 773 миллиона тонн отходов, из которых можно получить 66 миллиардов м³ биогаза, или около 110 миллиардов кВт·ч электроэнергии [5]. Общая потребность России в биогазовых заводах оценивается в 20 тысяч предприятий.

Литература:

1. Руководство по биогазу от получения до использования. – Leipzig, «Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)», 2010. – 215 с.

2. Lebuhn, M. Bauer, C. Gronauer, A. Problem о der Bio-gasproduktion aus nachwachsenden Rohstoffen im Langzeitbetrieb und molekularbiologische Analytlk. VDLUFA-SchriftenrBihe, 2008. S. 118-125.

3. Demirel, В. Neumann, L. Scherer, P. Microbial community dynamics of a continuous mesophilic anaerobic biogas digester fed with sugar beet silage. Eng. Life Sci. 2006. №4. S. 390-398

4. Bauer, C. Korthals, M. Granauer, A. Lebuhn, M. MeUianogens in biogas production from renewable resources – a novel molecular papulation analysis approach. WalerSci. Tech. 2008. №7. S. 1433-1439

5. Биогаз. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%B3%D0%B0%D0%B7 (дата обращения 7.03.2014)