Процесс получения биогаза в искусственных условиях
Весь растительный покров нашей планеты составляет примерно 2000 млрд тонн сухих веществ, что в энергетическом плане примерно соответствует всем известным ископаемым запасам топлива. Самый простой способ превращения сухой биомассы в энергию – сгорание, в процессе которого выделяется тепло, которое можно превратить либо в электричество, либо в механическую силу. Если же использовать сырое вещество, то здесь наиболее старым и известным способом является получение биогаза, методом брожения или биометаногенеза.
Осуществляется этот процесс в три этапа: гидролиз органики, ацидогенез, метаногенез. В конверсию вовлечена только половина материала, что в два раза ниже чем при термохимической реакции, однако впоследствии остаются шлаки, используемые как удобрения в сельском хозяйстве.
Процесс биометаногенеза производят три вида бактерий. Первые из них превращают субстраты, сложные по природе, в молочную, масляную и пропионовую кислоты; вторые в свою очередь данные кислоты преобразуют в уксусную, углекислый газ и водород; и наконец, третьи бактерии поглощают водород и образуют метан, идущий на выход. Все метанобактерии растут в присутствии углекислоты и водорода, и чувствительны к кислороду, поэтому весь процесс анаэробный (безкислородный).
Где происходит реакция брожения субстратов?
Для производства брожения используются установки биогаза, важнейшей частью которых являются дайджестеры – цилиндрические цистерны, имеющие боковое отверстие для ферментируемой массы. Над дайджестером устанавливают цилиндрический контейнер для сбора получившегося газа, он нависает над куполом и препятствует подаче воздуха, а газ уходит через особую трубку в сеть или газгольдер (хранилище). Реакторы (дайджестеры) изготавливают либо из бетона, либо из стали, иногда из глиняного кирпича, купол для сбора газа вполне может быть из нейлона, так он герметично крепится к цистерне.
В том случае, когда для реакции используют отходы животных или бытовые ферменты, нужно соблюдать соотношение между жидкими и твёрдыми компонентами 1:1 (100 кг воды на 100 кг отходов), соблюдается особая температура (около 30-40 градусов) и уровень pH 6-8, резких колебаний нужно стараться избегать, они могут плохо подействовать на бактерии. Чаще всего реакторы зарывают в землю, чтобы дополнительно использовать естественную изоляцию. В тех странах, где преобладает холодный климат, нужно нагревать реакторы разными способами. Обязательно регулируется пропорция аммиака к азоту, она должна быть где-то 30:1 (по весу), это достигается смешиванием субстратов с различными коэффициентами данных веществ в нужном количестве.
Эффективность работы биогазовых установок.
В отходах пищевой промышленности, а также сельского хозяйства, наблюдается высокое содержание углерода (при перегонке свеклы, 1 литр отходов содержит около 50 грамм углерода), и эти вещества наиболее хорошо идут в установки биогаза, тем более, многие из них получаются при приблизительно схожей температуре.
Суспензию веществ нужно перемешивать, чтобы не допустить расслаивания, подавляющего активность бактерий. Твёрдый материал предварительно дробится, так как крупные комки не слишком хорошо образовывают метан. Чаще всего переработка навоза рогатого крупного скота занимает от двух до четырёх недель, при температуре 35 градусов довольно быстро гибнут все патогенные бактерии и вирусы, и вредные популяции.
Если брать ситуацию в общем, то любые органические вещества можно помещать в установки биогаза и при отсутствии кислорода добывать метан. Просто нужно давать бактериям достаточное время для того, чтобы они разложили материал, к примеру, высохшие одеревеневшие растения. Данный процесс хорошо используют в очистке сточных вод, после которой исчезают все вредные вещества и можно заново пускать воду в оборот.
Биологический метан имеет ценность около 10 кВт на кубометр, что сравнимо с чистым метаном, и если переводить его в электричество, то при эффективности генератора 35% получится 3,5 кВт тока из кубометра газа, который можно подать в сеть питания.
Экологическая составляющая выработки и потребления биогаза.
Вся энергия, которую дают установки биогаза, является возобновляемой, так как идёт из органического субстрата. Сегодня такая ситуация, что ископаемые углеводороды начинают заканчиваться, и альтернативные источники приобретают всё большую значимость.
Биогазовые установки приобретают большое значение, тем более, что выделяемый при сгорании биогаза CO2 является нейтральным для природы, он идёт из естественного природного круга и впоследствии снова потребляется растениями, чтобы снова и снова участвовать в газообмене. Если сравнивать с твёрдым топливом, то там углекислый газ выходит лишний, не заложенный в природе.
Конечно, метан имеет некоторые минусы, в первую очередь он медленно окисляется при попадании в воздух, потребляет озон и увеличивает озоновые дыры в атмосфере. Поэтому нужно следить, чтобы весь газ шёл на сжигание, а если потребление не соответствует добыче – хорошо помогает газовый факел.
