VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помёт, зерновая и мелассная после спиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов – соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля – технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков – жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки – мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов – очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа.

Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 300 м³ из 1 тонны.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается от 50 до 65 м³ биогаза с содержанием метана 60 %, от 150 до 500 м³ биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70 %. Максимальное количество биогаза – это 1300 м³ с содержанием метана до 87 % – можно получить из жира.

Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950-70-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20…30 % от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычной установке с 60% до 95%.

В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа.

На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстроразлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить.

Существуют промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространённый промышленный метод – анаэробное сбраживание в метантенках.

Рис. Схема биогазовой установки

Хорошая биогазовая установка должна иметь необходимые части (см. рисунок): ёмкость гомогенизации, отгрузчик твердого (жидкого) сырья, реактор, мешалки, газгольдер, система смешивания воды и отопления, газовая система, насосная станция, сепаратор, приборы контроля КИПиА с визуализацией, система безопасности.

Биомасса (отходы или зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35…38 С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен. Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая бардане перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реакторгидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом, бактерии не погибают из-за повышения содержания кислотили щелочей. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии, но при смешивании с другими видами сырья, например, с навозом или силосом.

Факторы, влияющие на процесс брожения: температура влажность среды, уровень рН, соотношение C : N : P, площадь поверхности частиц сырья, частота подачи субстрата, замедляющие вещества, стимулирующие добавки.

Несмотря на то, что Россия является крупнейшим поставщиком природного газа в страны ближнего и дальнего зарубежья, на сегодняшний день многие собственные населенные пункты остаются без данного энергоресурса. Можно привести целый ряд причин данной проблемы, одной из которых является удаленность потребителей от магистральных трубопроводов. Сложившуюся задачу можно разрешить, имея в наличии крупные животноводческие комплексы и специальные установки для переработки органических масс с целью получения биогаза, который впоследствии может быть направлен как на само предприятие, выпускающее данное сырье, так и на бытовые нужды населения [1]. С 1 января 2009 года на территории России вступил в действие первый национальный стандарт по биоэнергетике ГОСТ Р52808-2007 «Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения», разработанный сотрудниками научно - исследовательской лаборатории «Возобновляемых источников энергии» (НИЛ ВИЭ) Географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Как продолжение этой работы НИЛ ВИЭ совместно со специалистами Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский научно-исследовательский центр стандартизации, информации и сертификации сырья, материалов и веществ » разработали ГОСТ Р 53790-2010 « Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Общие технические требования к биогазовым установкам». Стандарт утвержден Федеральным Агентством по техническому регулированию и метрологии 01.01.2011 года. Основным требованием, которое предъявляется стандартом к биогазовым установкам, является требование назначения – « Биогазовые установки должны обеспечивать переработку органических отходов (стоков животноводческих производств, растениеводства, перерабатывающей промышленности) и осадков сточных вод в биогаз с возможным преобразованием его в тепловую и электрическую энергию, а также транспортное топливо. Наряду с биогазом эти установки должны производить органическое удобрение, содержащее гуминовые вещества, готовое к внесению в почву. Переработка отходов в метантенке биогазовой установки осуществляется в результате процесса жизнедеятельности симбиоза ряда штампов бактерий, поэтому условия их жизнедеятельности определяют результат работы установки – количество образованного метана, скорость переработки отходов, качество удобрения. Вследствие этого в стандарте большое внимание уделяется условиям оптимальной работы биогазовой установки. Прежде всего, это соблюдение анаэробных условий в метантенке, поддержание оптимальных для данной установки температурного режима и кислотно-щелочного баланса. Стабильную работу биогазовой установки поддерживают перемешивающие и нагревающие сбраживаемую массу устройства, типы которых и требования к ним изложены в стандарте. В соответствии с требованиями стандарта в технических условиях и эксплуатационных документах на биогазовую установку конкретного типа должны приводиться требования к перерабатываемым отходам, характеристики режима работы метантенка, ряд показателей процесса метанового брожения.

Требование к месторасположению биогазовой установки любого типа заключается в том, что она должна находиться по возможности ближе к источникам перерабатываемого сырья (местам содержания животных, складирования отходов и т. д.), в стандарте дан ряд рекомендаций по расположению установок малой мощности, предлагающий использовать силы гравитации и солнечное тепло; учитывающий, что транспорт биогаза дешевле, чем транспортировка сырья. Согласно информации источников из Министерства сельского хозяйства на май 2011 г. по России насчитывается около 80 биогазовых установок. Но если говорить о промышленном масштабе, то на настоящее время действует лишь одна станция в деревне Доршино в Калужской области.

В небольших фермерских хозяйствах биогазовых станций хватает на три лампочки, что, естественно, не соответствует названию биогазовой промышленности – тем более, что серийного производства даже таких крошечных установок, к сожалению, нет. К тому же при таких объемах не может быть и речи об устойчивом выходе тепла и электроэнергии, и абсолютное большинство этих установок не включает в себя когенерационного комплекса: это просто получение биогаза, который впоследствии сжигается. Его может хватить , например , на то , чтобы чайник разогреть [1]. В современной России вопрос об изготовлении оборудования для производства биогаза из отходов сельского хозяйства только зарождается. К сожалению, сейчас корпорация «БиоГазЭнергоСтрой» является единственным российским сертифицированным производителем биогазовых комплексов. Принизкихпоказателяхвыделения метана станция просто отключалась. Сейчас они добились содержания метана в газе более 70 %, что обеспечивает четкую работу и постоянный выход электроэнергии и тепла [1].

В случае, когда предприятию требуется не электроэнергия, а газ для заправки автомобилей, биогазовая установка комплектуется системой очистки и метановой заправочной станцией. Сельскохозяйственные предприятия при использовании биогазовых установок получат существенную экономию по устранению неприятных запахов, поскольку процесс происходит без доступа воздуха (ферментаторы полностью герметичны), запахи при переработке не распространяются. Биогазовая установка позволяет переработать основную массу загрязняющих органических веществ, поэтому после установки отходы не имеют неприятного запаха. Учитывая высокую стоимость предлагаемых на рынке установок, повышается вероятность появления российских производителей биогазовых станций небольшой мощности, что является более перспективным при существующем положении в сельском хозяйстве, где в настоящее время происходит медленное восстановление посевных площадей и поголовья скота. Производство биогаза позволяет предотвратить выброс метана в атмосферу, его улавливание - самый лучший способ предотвращения глобального потепления. Использование биогазовой установки позволяет уменьшить санитарную зону (расстояние от предприятия до жилой зоны) с 500 м до 150 м. После обычных систем очистки отходы так и остаются отходами. После биогазовой установки - это высококачественные удобрения [2].

Библиографический список

1. Баадер, В. Биогаз теория и практика / В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер. – М.: Колос, 1982. – 148 с.

2. Полосин, И.И. Альтернативное энергообеспечение зданий при многофункциональном использовании солнечной радиации и биогаза из отходов сельского хозяйства / И.И. Полосин, Н.В. Кузнецова, Т.В. Щукина // Экология и промышленность России. – 2011. - № 1. – С. 23 – 25.

Код для цитирования: Скопировать