Для того, чтобы определить целесообразность и возможность внедрения технологии метанового брожения того или иного вида органических отходов того или иного предприятия, необходимо знать о биогазовых установках следующее:
Объем биореактора
На территории нашей страны из-за, преимущественно, суровых климатических условий, к сожалению, мы вынуждены признать тот факт, что биогазовые установки с реактором менее 50м3 эффективно работать не будут, т.к. процесс анаэробный и требует затрат энергии. И, если, при существенных объемах реактора, затраты на поддержание режима своей работы биогазовая установка способна покрывать сама, за счет преобразования биогаза в электричество либо тепло, то, в ином случае, выход биогаза слишком мал, чтобы говорить об оборудовании способном преобразовывать его энергию.
Назначение биогазовой установки
Основным и единственным назначением биогазовой установки является переработка органических отходов, а точнее, их обеззараживание! Выработка энергии - это лишь приятный бонус, делающий этот процесс менее затратным, а в некоторых случаях, при чрезвычайно больших объемах переработки, способный даже обеспечить некоторые энергетические нужды предприятия. Поэтому эффект лучше считать, исходя из стоимости переработки отходов, и прибыли от реализации удобрений, либо от повышения урожайности собственных полей.
Объем переработки отходов
Максимальный целесообразный суточный объем переработки субстрата (отходы + вода) в БГУ составляет около 20% от физического объема (т.е. объема, который можно загрузить в реактор). Субстрата получается, как правило, в два раза больше, чем отходов, например, фермы крупного рогатого скота. Например, если объем суточного выхода составляет 1 тонну навоза КРС, субстрата получится около 2 тонн и тогда объем реактора биогазовой установки должен быть не меньше 10 м3. Чем меньше влажность исходного сырья, тем больше получится из него субстрата, т.к. влажность, необходимая для эффективного анаэробного процесса очистки от 90-92%.
Материал реактора биогазовой установки
Мы прошли этапы тестирования реакторов из металла и бетона. Мы эксплуатировали в лабораторных условиях реакторы с расположением теплообменника внутри емкости сбраживания. Наши исследования дают серьезные основания сомневаться в возможности использования этих материалов с точки зрения коррозионной стойкости, стойкости к биологическому и химическому разложению (время разложения металлического реактора около 5 лет). Остаются реакторы из нержавеющей стали, но помимо их дороговизны, они обладают еще одним весьма весомым недостатком для эксплуатации в суровых климатических условиях - это существенная способность передавать тепло, столь ценное в сорокоградусные морозы. Стеклопластик, кроме основных проблем, решает вопрос удержания биомассы из-за пористой структуры стенки. Его стоимость вполне оправдана его долговечностью, которая серьезно превышает срок окупаемости.
Сбраживаемые органические отходы
Биогазовая установка способна сбраживать 27 различных видов органических отходов (потенциал приведен в таблице ниже).
Выход биогаза из органического сырья
|
Категория сырья
|
Выход биогаза (м3) из 1 тонны базового сырья
|
|
Коровий навоз
|
39-51
|
|
Навоз КРС, перемешанный с соломой
|
70
|
|
Свиной навоз
|
51-87
|
|
Овечий навоз
|
70
|
|
Птичий помет
|
46-93
|
|
Жировая ткань
|
1290
|
|
Отходы с мясобойни
|
240-510
|
|
ТБО
|
180-200
|
|
Фекалии и сточные воды
|
70
|
|
Послеспиртовая барда
|
45-95
|
|
Биологические отходы производства сахара
|
115
|
|
Силос
|
210-410
|
|
Картофельная ботва
|
280-490
|
|
Свекольный жом
|
29-41
|
|
Свекольная ботва
|
75-200
|
|
Овощные отходы
|
330-500
|
|
Зерно
|
390-490
|
|
Трава
|
290-490
|
|
Глицерин
|
390-595
|
|
Пивная дробина
|
39-59
|
|
Отходы, полученные в процессе уборки ржи
|
165
|
|
Лен и конопля
|
360
|
|
Овсяная солома
|
310
|
|
Клевер
|
430-490
|
|
Молочная сыворотка
|
50
|
|
Кукурузный силос
|
250
|
|
Мука, хлеб
|
539
|
|
Рыбные отходы
|
300
|
Приведенные в таблице отходы имеют свои особенности при анаэробной биологичской очистке:
Навоз КРС
Во всем мире к числу наиболее популярных относят биогазовые установки, предусматривающие использование в качестве базового сырья коровьего навоза. Содержание одной головы крупного рогатого скота позволяет обеспечить в год 6,6–35 т жидкого навоза. Этот объем сырья может быть переработан в 257–1785 м3 биогаза. По параметру теплоты сгорания указанные показатели соответствуют: 193–1339 м3 природного газа, 157–1089 кг бензина, 185–1285 кг мазута, 380–2642 кг дров. Одним из ключевых преимуществ использования коровьего навоза в целях выработки биогаза является наличие в желудочно кишечном тракте крупного рогатого скота колоний бактерий, вырабатывающих метан. Это означает, что отсутствует необходимость дополнительного внесения микроорганизмов в субстрат, а следовательно, потребность в дополнительных инвестициях. Вместе с тем однородная структура навоза делает возможным применение данного типа сырья в устройствах непрерывного цикла. Производство биогаза будет еще более эффективным при добавлении в ферментируемую биомассу мочи КРС.
Навоз свиней и овец
В отличие от КРС, животные этих групп содержатся в помещениях без бетонных полов, поэтому процессы производства биогаза здесь несколько осложняются. Использование навоза свиней и овец в устройствах непрерывного цикла невозможно, допускается лишь его дозированная загрузка. Вместе с сырьевой массой данного типа в биореакторы нередко попадают растительные отходы, что может существенно увеличить период ее обработки.
Птичий помет
В целях эффективного применения птичьего помета для получения биогаза рекомендуется оснащать птичьи клетки насестами, поскольку это позволит обеспечить сбор помета в больших объемах. Для получения значительных объемов биогаза следует перемешивать птичий помет с коровьей навозной жижей, что исключит излишнее выделение аммиака из субстрата. Особенностью применения птичьего помета при производстве биогаза является необходимость введения 2-стадийной технологии с использованием реактора гидролиза. Это требуется в целях осуществления контроля над уровнем кислотности, в противном случае бактерии в субстрате могут погибнуть.
Фекалии
Для эффективной переработки фекалий требуется минимизировать объем воды, приходящийся на один санитарный прибор: единовременно он не может превышать 1 л.
С помощью научных исследований последних лет удалось установить, что в биогаз, в случае использования для его производства фекалий, наряду с ключевыми элементами (в частности, метаном) переходит множество опасных соединений, способствующих загрязнению окружающей среды. Например, во время метанового брожения подобного сырья при высоких температурных режимах на станциях биоочистки стоков практически во всех пробах газовой фазы обнаружено около 90 мг/м3 мышьяка, 80 мг/м3 сурьмы, по 10 мг/м3 ртути, 500 мг/м3 теллура, 900 мг/м3 олова, 700 мг/м3 свинца. Упомянутые элементы представлены тетра- и диметилированными соединениями, свойственными процессам автолиза. Выявленные показатели серьезно превышают ПДК указанных элементов, что свидетельствует о необходимости более обстоятельного подхода к проблеме переработки фекалий в биогаз.
Энергетические растительные культуры
Подавляющее большинство зеленых растений обеспечивает исключительно высокий выход биогаза. Множество европейских биогазовых установок функционируют на кукурузном силосе. Это вполне оправданно, поскольку кукурузный силос, полученный с 1 га, позволяет выработать 7800–9100 м3 биогаза, что соответствует: 5850–6825 м3 природного газа, 4758–5551 кг бензина, 5616–6552 кг мазута, 11544–13468 кг дров.
Около 290–490 м3 биогаза дает тонна различных трав, при этом особенно высоким выходом отличается клевер: 430–490м3. Тонна качественного сырья картофельной ботвы также способна обеспечить до 490 м3, тонна свекольной ботвы – от 75 до 200 м3, тонна отходов, полученных в процессе уборки ржи, - 165 м3, тонна льна и конопли – 360 м3, тонна овсяной соломы - 310 м3 .
Следует отметить, что в случае целенаправленного выращивания энергетических культур для производства биогаза существует необходимость инвестирования денежных средств в их посев и уборку. Этим подобные культуры существенно отличаются от иных источников сырья для биореакторов. Необходимости в удобрении подобных культур нет. Что касается отходов овощеводства и производства зерновых культур, то их переработка в биогаз имеет исключительно высокую экономическую эффективность.
«Свалочный газ»
Из тонны сухих ТБО может быть получено до 200 м3 биогаза, свыше 50% объема которого составляет метан. По активности выбросов метана «свалочные полигоны» намного превосходят любые другие источники. Использование ТБО в производстве биогаза не только позволит получить существенный экономический эффект, но и сократит поступление загрязняющих соединений в атмосферу.