Получение биогаза. Продуценты. Технология получения метана

Технологически метановое брожение подразделяют на два этапа: созревание метанового биоценоза и ферментацию. В течение первого этапа развиваются бактерии, участвующие в анаэробном разложении исходных органических веществ и продуктов их распада. В результате деятельности этих микроорганизмов создаются оптимальные условия для активного биосинтеза метана.

Несмотря на сложность и далеко неполную изученность, такая биологическая система достаточно надежна и проста для получения биогаза в промышленных масштабах.

Метановое брожение жидких органических веществ осуществляется в строго анаэробных условиях при 30—40 °С (мезофильный процесс) или 52-60 °С (термофильный процесс). Ферментацию проводят в реакторах (метантенках) объемом от одного до нескольких тысяч кубических метров. Метантенки выполняются из железобетона или металла. Они могут иметь разную форму и конструкцию, от кубической до цилиндрической, расположены горизонтально или вертикально. Лучшей признается яйцеобразная конструкция. Ферментация протекает непрерывно, полупериодически и периодически.

Сырье, содержащее 2—12% органических веществ, подается в метантенк через теплообменник, где оно подогревается или охлаждается до температуры ферментации в метантенке. Место введения сырья в реактор и отбора сброженной массы зависит от конструкции метантенка. Реакторы снабжаются мешалками для перемешивания бродящей массы с целью ускорения процессов и теплообменниками для поддержания необходимой температуры внутри реактора. Образующиеся газы удаляются через газовый колпак, расположенный в верхней части метантенка. Газ, содержащий 50—85 % метана и 15—50 % СО2, по газопроводу поступает в газохранилище — газгольдер, откуда подается в газовую сеть.

Скорость процесса определяется температурой ферментации (в термофильных условиях она в 2—3 раза выше, чем в мезофильных), химическим составом сырья, его вязкостью, плотностью бактериальной ассоциации и степенью перемешивания. Ферментация протекает при значениях рН среды, равных 7,0—8,5. При более низком или высоком значении рН она обычно тормозится или прекращается совсем. Снижение величины рН среды («прокисание») связано с нарушением равновесия скоростей образования летучих жирных кислот (муравьиной, уксусной, особенно пропионовой, а также масляной) и дальнейшим их превращением, заканчивающимся образованием метана. Подобные дефекты вызываются, как правило, увеличением поступления в реактор легкосбраживаемых углеводов, а также нарушением соотношения углерода и азота в субстрате. Оптимальные значения соотношений C:N находятся в пределах 11 —16:1. Повышение значений рН среды (> 8,5) связано либо с высокой концентрацией азотсодержащих органических веществ в субстрате и образованием из них в процессе брожения больших количеств аммония, либо наличием в среде значительных концентраций щелочно-земельных металлов.

Указанные нарушения процесса обычно устраняются остановкой загрузки ферментера новыми порциями сырья. В результате избыток образовавшихся жирных кислот постепенно конвертируется в метан, рН среды повышается до необходимых оптимальных значений, и процесс продолжается. В некоторых случаях уменьшают объем загрузки сырья в реактор.

Важным моментом промышленной технологии получения метана является скорость поступления сырья в реактор или время выдерживания сырья в реакторе. Указанные параметры зависят прежде всего от скорости конверсии органических веществ в метан. Чем интенсивнее процесс брожения, тем выше скорость загрузки сырья в реактор, меньше время выдерживания сырья в реакторе и рентабельнее сам процесс. Существующие в настоящее время нормы скорости загрузки сырья находятся в пределе 7—20 % объема субстрата от рабочего объема ферментера в сутки. Следовательно, цикличность процесса равна 5—14 сут. Однако разработаны технологии, в которых цикличность сокращена до 5—15 ч, или скорость загрузки в пределах 150—400 % в сутки. С большей скоростью происходит образование метана при наличии хорошо растворимых и легко разлагаемых бактериями органических соединений (некоторые виды жидких отходов пищевой, микробиологической и других отраслей промышленности, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье). Медленнее сбраживаются отходы сельскохозяйственного производства (животноводства и растениеводства), содержащие твердые органические включения.

Применяемые широко в настоящее время в практике метантенки относятся к реакторам первого поколения. В них все процессы протекают в одной емкости без разделения на стадии или фазы, бактериальные клетки находятся во взвешенном состоянии и по мере нарастания удаляются вместе со сброженной массой. Важным условием нормального функционирования таких реакторов является необходимость поддержания равенства скоростей размножения бактерий и поступления сырья в реактор при условии, что концентрация органического вещества в сырье составляет не менее 2 %.

При меньших концентрациях органического вещества плотность бактериальных клеток на единицу объема реактора резко падает, и процесс практически останавливается.

Этот недостаток реакторов первого поколения полностью устраняется при использовании реакторов второго поколения, в которых бактерии при необходимой для процесса плотности находятся в закрепленном (иммобилизованном) состоянии. В реакторах второго поколения можно сбраживать субстраты с низким содержанием органических соединений (0,5 % сухих веществ) при высокой скорости пропускания через: реактор (такие реакторы часто называют «анаэробными фильтрами»). В качестве носителей для закрепления бактерий широко используются галька, керамические, полихлорвиниловые, полиуретановые кольца и стекловолокно. Применение реакторов второго поколения позволяет резко повысить процессы деструкции и соответственно снизить их объемы, что имеет важное значение при их широком производстве и эксплуатации.

В последние годы в практику внедряются технологии, основанные на разделении процесса метанового брожения на стадии—фазы: кислотную и метановую. Двухфазный процесс осуществляется в двух реакторах, соединенных последовательно. Скорость поступления сырья и объемы реакторов рассчитываются так, чтобы в первом протекала только стадия образования кислот, значение рН среды не должно быть выше 6,5. Такая бражка подается во второй реактор, в котором с большой скоростью протекает непосредственно образование метана. Двухфазный процесс позволяет увеличить его общую скорость в два-три раза. Иногда в практике при использовании двухфазного процесса с целью дополнительного получения товарного биогаза процесс брожения в первом ферментере проводят при 35—37 °С, во втором — при 55 °С. При нормальных условиях ферментации на каждую тонну сброженного органического вещества образуется до 300—600 м3 биогаза. Процент разложения органических веществ до метана зависит от скорости процесса и времени выдерживания сырья в реакторе, обычно эта величина равна 30—60 %.

Концентрация метана в образующемся биогазе зависит от химического состава субстрата: углеводы дают больше углекислого таза, жиры — больше метана (до 85%). Чем больше восстановлен субстрат, тем выше концентрация метана.

Метановое брожение — процесс эндотермический, требует постоянного подогрева для поддержания необходимой температуры ферментации. Как правило, метантенки и сырье подогреваются за счет сжигания образующегося биогаза. В среднем на поддержание требуемой температуры ферментации расходуется от 15— 20 % (мезофильный процесс) до 30—50 % (термофильный процесс) биогаза. Поэтому одним из важных моментов эксплуатации метантенков является их хорошая теплоизоляция.

Рассмотренный выше процесс метанового брожения касался использования только жидких субстратов. В последние годы широкое развитие имеет технология твердофазной метангенерации, или получение биогаза, при деструкции органических веществ с влажностью 30—40 %. Такие процессы уже имеют практическое применение в США и некоторых странах Западной Европы, например, при переработке городского твердого мусора. Основное условие такого процесса — анаэробиоз и необходимая влажность.

Кроме этого для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмалперерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды городов и спиртовых заводов. Процесс ведется при температуре 30 — 60°С и рН 6 — 8. Этот способ получения биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. В настоящее время для производства биогаза чаще используют вторичные отходы (отходы животноводства и сточные воды городов), чем первичные (отходы зерноводства, полеводства, хлопководства, пищевой, легкой, микробиологической, лесной и других отраслей), обладающие сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предварительной обработке.

Биогаз кроме метана и углекислого газа может содержать примеси сероводорода (до 2%), что требует его соответствующей очистки.

Теплотворная способность биогаза составляет 5—7 ккал/м3 и зависит от концентрации в нем СО2. Один кубический метр биогаза эквивалентен 4 кВт/ч электроэнергии, 0,62 л керосина, 1,5 кг угля, 3,5 кг дров, 0,43 кг бутана. Он может быть использован для получения тепловой энергии, электроэнергии, заменить моторное топливо. Из биогаза можно получить «синтез-газ» (смесь угарного газа и молекулярного водорода), из которого синтезируют метанол, или искусственный бензин.

Образующийся в процессе метанового брожения шлам (жидкий или твердый) является хорошим органо-минеральным удобрением. Он может также использоваться для производства ценных биологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяйстве.

Перечисленные выше физические особенности биогаза и относительная простота его получения, возможность использования в качестве сырья для его производства разнообразных отходов положительным образом отразились на создании и развитии биогазовой промышленности в ряде стран. В России метановое брожение широко применяется в системе биологической очистки городских сточных вод на станциях аэрации. В метантенках сбраживают осадки сточных вод и активный ил, образующийся в аэротенках. Две станции, обслуживающие город с населением 8 млн. человек, дают в год 110 млн. м3 биогаза. Термофильное метановое брожение отходов микробиологической промышленности используют в нашей стране для производства биогаза и кормового препарата витамина B12. Два цеха, перерабатывающие жидкие стоки ацетоно-бутиловой промышленности, производят в год до 7 млн. м3 биогаза и до 1 т витамина B12. В Венгрии мезофильное метановое брожение применяется для промышленного производства кристаллического препарата витамина B12 медицинского назначения.

В США широкое развитие получает производство биогаза при переработке городского твердого мусора. Например, в пригородах Нью-Йорка действует станция, производящая в год 100 млн. м3 биогаза.

Современное состояние проблем и перспектив в области получения биогаза свидетельствует о том, что анаэробная конверсия органических отходов в метан — наиболее конкурентоспособная область биоэнергетики. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. Его производство будет так же длительно, как существование жизни на Земле.