VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

В последние годы можно всё чаще услышать о целесообразности использования альтернативных методов для получения энергии. Действительно, в связи с ограниченностью привычных нам ресурсов, таких как газ, нефть и их производные, человечество просто вынуждено искать им альтернативу. Без внимания не остается и биогаз, получаемый в результате переработки органических отходов любых видов [3].

В настоящее время во многих странах уже имеется достаточное количество установок для производства биогаза, чтобы снабжать теплом и электроэнергией различные предприятия, а иногда даже и целые поселения. В связи с этим, все больше внимания уделяется не строительству новых биогазовых станций, а оптимизации работы уже существующих, и исследованиям в области биоэнергетики. Данное решение действительно целесообразно, ведь с момента изобретения первой биогазовой станции было внедрено множество новых технологий, в связи с чем, современные установки позволяют достичь больших результатов, нежели их предшественники. Для повышения эффективности работы любой биогазовой станции следует проанализировать весь процесс производства биогаза от начала и до конца, выяснив какие параметры при его создании следует изменить [1].

Как известно, получение биогаза основано на биологическом процессе, называемом метановым сбраживанием. Данный процесс является сложным, проходит в анаэробных условиях ( т.е при отсутствии кислорода ) и делится на 4 основных этапа (рис.1) [2,4,6]: гидролиз; повышение кислотности; образование уксусной кислоты; образование метана.

На первом этапе бактерии выделяют ферменты, при помощи которых происходит биохимическое расщепление сложных (высокомолекулярных) соединений на более простые. Конечным продуктом на данной стадии процесса являются жирные кислоты и простой сахар.

Далее, образовавшиеся в ходе первого этапа промежуточные продукты, подвергаются дальнейшему разложению, чему способствуют кислотопродуцирующие бактерии. В ходе второго этапа появляются органические вещества, необходимые для питания метанообразующих бактерий (органические кислоты и двуокись углерода).

В результате жизнедеятельности группы бактерий на третьем этапе происходит образование уксусной кислоты, а также водорода и дополнительного количества двуокиси углерода.

На заключительном этапе органические вещества окончательно преобразуются в углекислый газ (СО₂),метан (CH₄) и некоторое количество воды (H₂O).

Т

Рис.1 Схематическое представление этапов процесса метанового сбраживания

аким образом, в процессе образования метана принимают участие 4 вида бактерий. Следовательно, в реакторе необходимо обеспечить требуемые технологические параметры для их существования. Можно выделить 9 факторов, которые непосредственно влияют на конечный результат работы биогазовой станции [1,2,4,5]: поддержание анаэробных условий; соблюдение температурного режима; наличие необходимых питательных веществ для бактерий; грамотный выбор времени сбраживания; поддержание кислотно-щелочного баланса pH; соблюдение правильного соотношения азота и углерода в перерабатываемом сырье; поддержание правильного влажностного режима; соблюдение режима перемешивания содержимого реактора; минимизирование количества ингибиторов в исходном сырье.

 

Чтобы сделать процесс производства биогаза максимально эффективным, необходимо подробным образом рассмотреть влияние каждого из вышеуказанных параметров на его ход. Следует помнить, что многие из них взаимосвязаны между собой, то есть требуют рассмотрения в совокупности с остальными факторами. В силу данного условия, зачастую бывает весьма трудно определить как изменение того или иного параметра отразится на количестве и качестве производимого биогаза [5].

Поддержание анаэробных условий.

Метанообразующие бактерии могут существовать лишь при отсутствии кислорода. В связи с этим, одним из важнейших требований при производстве биогаза является обеспечение анаэробных условий и их поддержание на протяжении всего процесса, в связи с чем, необходимо постоянно контролировать герметичность реактора.

Соблюдение температурного режима.

Д

Рис.2 Влияние температурного режима брожения и длительности процесса на объем и качество получаемого газа

ругим, не менее важным фактором процесса сбраживания, является поддержание оптимальных температурных условий. Как известно, микробиологическая активность находится в непосредственной зависимости от температуры. Таким образом, данный фактор играет большую роль в процессе производства биогаза, ведь от температурного режима напрямую зависит объем газа, который возможно получить из данного объема сырья за определенный временной промежуток. Выбор температурного режима отражается и на качестве газа. Экспериментальным путем была установлена зависимость общего объема газа и его качества (т.е. процентного содержания метана) от температуры и времени брожения сырья (рис.2) [4].

 

В ходе различных исследований было установлено, что для каждого типа сырья имеется своя, оптимальная для него температура сбраживания, которая позволяет получить на выходе максимально возможный объем газа с наилучшим качеством. Наиболее часто, оптимальной считается температура в диапазоне 36-38 °С [4,5]. Не стоит забывать, что процесс метанового сбраживания крайне чувствителен даже к незначительным изменениям температурного режима. Поэтому предельно допустимым перепадом температур, не влекущим за собой значительного изменения объема и состава газа можно считать отклонение показаний термометра от нормы всего на 1°С.

Наличие необходимых питательных веществ для бактерий.

Все виды микроорганизмов, принимающие участие в процессе метанового сбраживания, нуждаются в определенных питательных веществах, необходимых для их роста и жизнедеятельности. Наличие и концентрация этих веществ оказывают влияние на скорость роста и активность бактерий. Таким образом, для получения наибольшего количества метана из используемого сырья, следует обеспечить наличие всех необходимых питательных веществ, к которым можно отнести: азот, серу, фосфор, кальций, калий, магний, железо, марганец, молибден, цинк, кобальт, селен, вольфрам, никель. Обычно используемые виды сырья уже содержат вышеуказанные элементы в необходимых количествах [1,2].

Грамотный выбор времени сбраживания.

Для получения в конечном итоге максимально возможного объема газа, необходимо правильно рассчитать время пребывания сбраживаемой массы в реакторе. При расчете обычно опираются на 2 фактора: с одной стороны, следует учитывать скорость реакции, которая индивидуальна для различных видов перерабатываемого сырья, с другой стороны, необходимо придерживаться заданной степени разложения. Временной фактор оказывает влияние не только на итоговый объем газа, но и на его качество [1]. Таким образом, можно сформулировать следующую зависимость: при увеличении времени сбраживания доля метана (CH₄) от общего объема выделяющегося газа возрастает, а количество углекислого газа (CO₂) снижается, т.е. наблюдается повышение качества получаемого продукта.

Несмотря на вышеуказанную зависимость, не следует допускать слишком долгого пребывания сырья в реакторе, т.к. показатель эффективности после достижения определенного временного барьера имеет свойство снижаться [5].

В большинстве случаев, оптимальным временем пребывания сырья в реакторе можно считать период длительностью 10-20 суток. Для станций, использующих в своей работе принцип непрерывной загрузки, необходимо определить суточную дозу загрузки сырья. Как правило, данный показатель зависит от длительности пребывания сырья в реакторе, и составляет, в среднем, от 5% до 10% от общего объема загружаемого реактора [2,3].

Поддержание кислотно-щелочного баланса pH

Как известно, метанопроизводящие бактерии более приспособлены для нахождения в нейтральных либо щелочных условиях. Однако на 2 этапе процесса метанового сбраживания наблюдается резкий рост активности кислотных бактерий, что в свою очередь приводит к снижению показателя pH. Как правило, активность метанопродуцирующих бактерий, и, как следствие, нормальные показатели выхода газа, наблюдаются при оптимальном значении кислотности. В зависимости от типа сырья, данный показатель может колебаться в диапазоне от 6,5 до 8,5 [2,4].

Соблюдение правильного соотношения азота и углерода в перерабатываемом сырье

Среди элементов, необходимых для поддержания нормальной активности всех видов бактерий, принимающих участие в процессе метанового сбраживания, следует выделить азот и углерод. Их соотношение в перерабатываемом сырье является одним из важнейших факторов, влияющих на ход процесса производства биогаза. В случае, когда количество углерода превышает требуемый показатель, будет наблюдаться замедление процесса брожения. Если же в перерабатываемом сырье количество азота превышает допустимую норму, то в реакторе наблюдается слишком большое количество аммиака, что негативно сказывается на жизнедеятельности и активности бактерий, и, как следствие, приводит к существенному замедлению процесса брожения [1,2].

В ходе ряда экспериментов было установлено, что наибольший выход биогаза достигается при оптимальном значении соотношения углерода и азота. В зависимости от типа перерабатываемого сырья, данный показатель колеблется в диапазоне от 10 до 20 [5]. На сегодняшний день обслуживающий персонал некоторых биогазовых станций практикует смешивание различных типов сырья с целью достижения наибольшей эффективности путем установления оптимального соотношения C/N.

Поддержание правильного влажностного режима.

Для высокой активности бактерий необходимо обеспечить возможность беспрепятственного обмена веществ в исходном сырье. Данное условие может быть реализовано только в случае свободного перемещения бактерий, для чего необходимо поддерживать показатель вязкости сырья на определенном уровне.

Как правило, сырье содержит некоторое количество растительных остатков. С целью обеспечения нормального газообразования в реакторе рекомендуется подвергать их механической обработке, т.е измельчать, исключая, таким образом, образование корки на поверхности сырья.

Требуемые показатели влажности сырья варьируются в зависимости от времени года. Таким образом, в зимнее время данный показатель должен составлять 85%, а в летнее – 92%. В большинстве случаев, для достижения необходимого уровня влажности сырье разбавляют горячей водой, количество которой можно определить по формуле [5]:

где V – требуемый объем воды, л ; H – объем загружаемого сырья, л ; W₁– требуемая влажность загружаемого сырья, % ;W₂ – начальная влажность сырья, %.

Соблюдение режима перемешивания содержимого реактора.

Для получения максимально возможного объема газа в ходе процесса метанового сбраживания, необходимо обеспечить постоянный контакт бактерий с сырьем. Данное условие можно реализовать, периодически перемешивая содержимое реактора. Основными задачами данной технологии являются [1,2]: ускорение процесса высвобождения произведенного биогаза; увеличение полезной площади реактора вследствие предотвращения образования пустот; выравнивание температуры во всех зонах реактора; предотвращение формирования участков с низким содержанием микроорганизмов; предотвращение расслоения содержимого реактора.

Однако для достижения наилучшего результата, следует вычислить оптимальные параметры перемешивания сбраживаемого сырья, которые, как правило, достигаются в результате воздействия на содержимое реактора посредством медленно вращающихся мешалок. Поэтому в большинстве случаев рекомендуется обеспечить регулярное медленное перемешивание содержимого реактора с временным интервалом от 4 до 6 часов [2].

Минимизирование количества ингибиторов в исходном сырье.

Ингибиторами называют вещества, которые способствуют замедлению процесса метанового брожения вследствие их отрицательного воздействия на жизнедеятельность микроорганизмов. Таким образом, для поддержания нормальной скорости реакции следует обеспечить отсутствие в исходном сырье определенных веществ. К таковым относят [1,2,5]: антибиотики; гербициды; дезинфицирующие средства; растворители; соли и тяжелые металлы.

Однако обеспечить полное отсутствие ингибиторов на протяжении всего процесса практически невозможно вследствие их образования в качестве промежуточных продуктов непосредственно в реакторе. Но как показывает практика, концентрации таких образовавшихся веществ недостаточно для существенного замедления процесса брожения.

Подводя итог, хотелось бы отметить, что на сегодняшний день биогазовая отрасль имеет отличные перспективы для дальнейшего развития. В последние годы наблюдается существенное увеличение числа биогазовых станций по всему миру, появляются новые технологии для их более эффективного использования [3]. Несмотря на то, что процесс производства биогаза, основанный на жизнедеятельности бактерий, весьма сложен, человек, изучив его более подробно, получает возможность вносить в него определенные изменения, управлять им. За последние годы человечество достигло больших успехов в данной отрасли, значительно повысив показатели эффективности биогазовых станций. Однако останавливаться на достигнутом не стоит, ведь влияние изменения параметров процесса метанового сбраживания на конечный результат еще не изучено до конца.

Список использованной литературы:

1. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика (Пер. с нем. и предисловие М. И. Серебряного.) — М.Колос, 1982 – 148 с.

2. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR). Руководство по биогазу: от получения до использования, 5-е издание, — Специальное агентство возобновляемых ресурсов, 2010 - 213 с.

3. Василов Р.Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 3: биогаз // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. – 2007. – Т. 3. – № 3. – С. 54–61.

4. Барбара Э., Хайнц Ш. Биогазовые установки, практическое пособие (Пер. с нем. Zorg Biogas), 2008 - 268 с.

5. Вендеев А.Г., Вендеева Т.А. Руководство по биогазовым технологиям. – «ДЭМИ», 2011-84 с.

6. Белгород. Биогаз и биогазовые станции. Анализ и реализованные проекты: [Электронный ресурс] //Портал-Энерго, 2009-2014. URL: http://portal-energo.ru/articles/details/id/700 (Дата обращения: 23.01.2014)

Код для цитирования: Скопировать