Биогаз

Биогаз - газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием 3-х видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид - бактерии гидролизные, второй кислото-образующие, третий - метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Синонимами для биогаза являются слова сельский газ, свалочный газ, болотный газ, шахтный газ, городской газ, свалочный газ, лэндфил-газ.

1. Метановое брожение
Метановое брожение по другому называется анаэробным брожением, или дыханием без доступа кислорода.

Органические соединения + Н₂О→ СН₄+СО₂+С₅Н₇NО₂+NH₄+HCO₃.

Нерастворимые органические вещества (белки, углеводы, жиры), которые присутствуют в биомассе, начинают распадаться на простейшие органические соединения (аминокислоты, сахара, жирные кислоты). Эта стадия называется - гидролизом и протекает под воздействием Ацидогеных бактерий. На второй стадии происходит гидролизное окисление части простейших органических соединений под воздействием Гетероацетогеных бактерий, в результате которой получается Ацетата, двуокись углерода и свободный водород. Другая часть органических соединений с полученным Ацетатом на 2 стадии ацетатом образует С1 соединения (простейшие органические кислоты). Полученные вещества являются питательной средой для метанобразующих бактерий 3 стадии. 3 стадия протекает по двум процессам, вызванные различной группой бактерий. Эти две группы бактерий преобразуют питательные соединения 2-ой стадии в метан СН₄, воду Н₂0, двуокись углерода.

Процесс анаэробного брожения происходит в бактериальной биомассе и включает конверсию сложных органических соединений - полисахаров, жиров и белков в метан СН₄ и оксид углерода СО (4).

По пищевым потребностям бактерии разделяются на три вида: 1 вид - гидролизные или Ацидогеные. Этому виду принадлежат протеолитические, целлюлолитические, облигатные анаэробы, факультативные анаэробы. К 2-му виду относят - гомоацетатные бактерии. К 3-му виду относят метаногенные бактерии - хемолитотрофные бактерии З стадии, перерабатывающие оксид углерода и водород на метан и воду стадия А, и бактерии стадии В - ниткоподобные палочки, коки и ланцетоподобные, которые перерабатывают муравьиную и ацетоновую кислоты а также метанол на метан и оксид углерода. Кроме природных субстратов анаэробные популяции расщепляют фенолы и сернистые соединения. В зависимости от состава раствора биомассы и вида бактерий, в биологическом реакторе будет происходит изменение значений рН, температуры и редокс -потенциала среды.

2. Состав биогаза
55%-75 % метана, 25 %-45 % CO_2, незначительные примеси H₂ и H₂S. После очистки биогаза от СО₂ получается биометан. Биометан по своим свойствам полный аналог природного газа. Отличие заключается только в происхождении.

3. Сырьё для получения
Органические отходы: навоз, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозавода - лактоза, молочная сыворотка, отходы производства биодизеля - технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков - жом фруктовый, ягодный, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крохмала и патоки - мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов - очистки, шкурки, гнилые клубни.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 30-50 м³ биогаза с содержанием метана 60 %, 150-500 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.

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

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 трудно разлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание элементов, считается выход газа для каждого по отдельности и затем суммируется.

Раньше когда не было науки о биогазе и биогаз ассоциировался с навозом, применяли понятие "животной единицы". Сегодня, когда биогаз научились получать из чего-угодно органического, это понятие отошло и перестало использоваться.

Кроме отходов биогаз может производится из специально выращенных энергетических культур, например из силосной кукурузы или сильфия. Выход газа может достигать до 500 м3 с тонны.

4. История
Человечество научилось использовать биогаз давно. В 2 тысячелетии до н.э. на территории современой Германии уже существовали примитивные биогазовые установки. Алеманам, населявшим заболоченные земли бассейна Эльбы, чудились Драконы в корягах на болоте. Они полагали, что горючий газ скапливающийся в ямах на болотах - это вонючее дыхание Дракона. Чтобы задобрить Дракона в болото бросались жертвоприношения и остаки пищи. Люди верили, что Дракон приходит ночью и его дыхание остается в ямах. Алеманы додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото, отводить газ по кожанным же трубкам к своему жилищу и сжигать его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал эту проблему.

В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 году сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.

В 1930 году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.

5. Экология
Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Переработанный навоз применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО₂, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Наиболее распространённый метод - анаэробное сбраживание в метатанках. Часть энергии, получаемой в результате утилизации биогаза направляется на поддержание процесса (до 15-20 % зимой). В странах с жарким климатом нет необходимости подогревать метантанк и требуется наоборот охлаждение. Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25°С до 70°С.

Более всего используется мезофильный режим 30-41 °С. Термофильные режимы достаточно хорошо изучены и задокументированы, однако применение термофильного режима возможно лишь как вспомогательного. При таком режиме наблюдается резкое выделение газа, но и переокисление среды, что приводит к гибели бактерий. Кроме того, термофильные бактерии работают в уком диапазоне температур - около 55°С и в отличие от мезофильных чрезвычайно чувствительны к перепадам. Термофильные реакторы показывают себя в закрытых лабораторных условиях и требуют высокой квалификации персонала.

Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двух-стадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда, не перерабатывается в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей.

Получение биогаза экономически оправдано при переработке постоянного потока отходов. Свалочный газ - одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах, пивных заводах, сахарных, крахмало-паточных заводах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод. Т.е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Больше всего так называемых малых биогазовых установок находится в Китае - более 10 млн. (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд. м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн. крестьян. В Индии с 1981 года было установлено 3,8 млн. малых биогазовых установок. В конце 2006 года в Китае действовало около 18 млн. биогазовых установок. Их применение позволяет заменить 10,9 млн. тонн условного топлива. Однако малые установки - это скорее ямы накрытые тентов, без подогрева с ручной выгрузкой и загрузкой сырья, время от времени дающие биогаз из навоза. Их применение оправдано когда заработная плата составляет до 5 долларов в месяц.

Из практики промышленно развитых стран минимальные установки которые рентабельно использовать имеют мощность от 100 кВт. Сравнивать малые биогазовые установки с промышленными все равно что дубину и ракету.

Биогаз используется как топливо для газопоршневых теплоэлектростанций, как топливо для автомобилей.

По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место в мире занимает Германия - 10000 тыс. шт.

Впервые полноценная книга-руководство по биогазу на русском языке! Компанией ЗОРГ переведена на русский язык библия по биогазу Biogas-Praxis: Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele, Wirtschaftlichkeit von Barbara Eder und Heinz Schulz. 2006. Желающие прочитать могут предложить свои условия.