Геннадій ГОЛУБ,
Майбутнє за альтернативною
енергетикою
Ще у XVII ст. Ян Баптист Ван Гельмонт виявив, що біомаса, яка розкладається, виділяє займисті гази. Алессандро Вольта в 1776 році прийшов до висновку про існування залежності між кількістю біомаси, яка розклалася, і кількістю газу, що виділився. У 1808 році сер Хемфрі Деві виявив метан у біогазі.
Перша задокументована біогазова установка була побудована в Бомбеї (Індія) в 1859 році. У цьому ж році біогаз почав застосовувався у Великобританії для вуличного освітлення.
Ринок біогазу на сьогодні найбільш розвинений у Європі, адже саме розвинені країни ЄС першими впровадили програми переходу до альтернативних джерел енергії та планомірно підтримували ініціативи, спрямовані на впровадження нових біогазових технологій.
У європейській практиці 75% біогазу виробляється з відходів сільського господарства, 17% — з органічних відходів приватних домогосподарств і підприємств, ще 8% — з муніципальних каналізаційних стоків та каналізаційних стоків окремих виробництв.
Сьогодні перше місце за кількістю біогазових комплексів, що працюють, належить Німеччині. Тільки 7% виробленого цими підприємствами біогазу надходить у газопроводи, решта використовується для потреб виробника. У перспективі 10–20% природного газу, який використовується у країні, може бути замінений біогазом. З погляду масштабів застосування біогазу лідирує Данія: цей вид палива забезпечує майже 20% енергоспоживання країни.
В Україні біогазові технології не мають широкого поширення у промислових масштабах. Наявні лише поодинокі випадки їх використання, в режимі дослідних установок без підтвердження їх економічної ефективності на рівні експертних висновків.
Два види технології підготовки
та бродіння сировини
Сучасні біогазові установки розділяються на два види за технологією підготовки і бродіння сировини: рідкофазна (вологість зброджуваної органічної маси більше 85%) і твердофазна (вологість органічної маси менше 85%).
Твердофазне бродіння — серія послідовних операцій (рис. 1). Вихідна сировина, наприклад, біологічні відходи, гній, шлам, жири або зелена маса, поміщаються у герметично закритий ферментер і, як правило, нагріваються та перемішуються. При цьому внаслідок анаеробних процесів утворюється біогаз. Наразі він застосовується в основному для комбінованого виробництва електроенергії і тепла в блокових міні-ТЕЦ.
Рисунок 1. Схема твердофазної біогазової установки
Газову суміш очищають від сірководню (Н2S) і подають до газопоршневого двигуна, який приводить в обертання генератор. Вироблений таким чином електричний струм надходить у мережу. Тепло із системи охолодження двигуна і тепло вихлопних газів відводяться за допомогою теплоносія для подальшого використання. Частина цього тепла (15–30%) необхідна для підігріву біосировини та підтримання вибраної температури ферментації, оскільки бактеріальні штами, що відповідають за розкладання біомаси, найбільш продуктивні в діапазоні температур від 37 °C (мезофільні) до 55 °C (термофільні). Надлишкове тепло може бути використане різними споживачами.
Найбільш ефективні установки з цілорічним використанням тепла. В деяких проектах біогаз збагачується і закачується у газопровід. Таким чином, зростають шанси для будівництва біогазової установки в тих зонах, де відсутні виробники тепла. Збагачений біогаз також може бути використаний як паливо в автотранспорті. Після метанового зброджування залишковий субстрат практично не має неприємного запаху і застосовується як органічне добриво у сільськогосподарському виробництві.
Дослідження на гної
З метою визначення впливу технологічних показників, які необхідні для вибору режимів ферментації гною та конструктивно-технологічних параметрів ферментера на вихід біогазу під час твердофазної ферментації органічної сировини в анаеробних умовах, були проведені експериментальні дослідження. Свіжий підстилковий гній ВРХ завантажувався у ферментер дискретно чотири рази на добу через 6 годин відповідно до експозиції зброджування.
Основним критерієм оцінки роботи ферментера при проведенні експериментальних досліджень був показник питомого виходу біогазу з кілограма сухої речовини. Вихід біогазу контролювався щодобово газовим лічильником, показники якого заносились у журнал випробувань ферментера.
В результаті експериментальних досліджень отримано рівняння регресії, яке встановлює залежність питомого виходу біогазу від температури, експозиції зброджування і вологості гною ВРХ, котре має такий вигляд:
V=94,2–2,235W — 0,6389T — 0,4358τ + 0,0146W2 + 0,0047T2 + 0,0042τ2 + 0,0032WT + 0,0045Wτ — 0,0002Tτ
де: V — питомий вихід біогазу, л/кг сухої маси за добу;
W — вологість біомаси,%;
T — температура зброджування, °С;
τ — експозиція зброджування, діб.
Графічна інтерпретація рівняння (1) приведена на рис. 2. З цього видно, питомий вихід біогазу однозначно збільшується з підвищенням вологості гною та температури й експозиції зброджування. Так, при експозиції ферментації гною 15 діб та при вологості зброджуваної маси гною ВРХ W=77% і температурі зброджування Т=350С питомий вихід біогазу не перевищував 1 л/кг сухої маси за добу, а при вологості зброджуваної маси W=87% та температурі зброджування Т=530С питомий вихід біогазу перебував у межах 4–5 л/кг сухої маси за добу (рис. 2).
Рисунок 2. Залежність виходу біогазу від температури зброджування і вологості біомаси
За температури зброджування Т=44°С та експозиції ферментації гною до 25 діб, вологості зброджуваної маси гною ВРХ W=77% питомий вихід біогазу не перевищує 1 л/кг сухої маси за добу. При цій же температурі зброджувавння вихід біогазу в межах 4–5 л/кг сухої маси за добу спостерігався при вологості гною W=87% і експозиції зброджування 20–25 діб.
За вологості гною W=82% збільшення виходу біогазу спостерігалося лише через 15 днів зброджування. При цьому виявлений неоднозначний вплив температури на питомий вихід біогазу. Найнижчий вихід біогазу спостерігався за температури зброджування у межах від 37 до 39 °С.
У питанні розвитку технологій твердофазного зброджування необхідно приділяти увагу удосконаленню мікробіологічних процесів ферментації біомаси та пошуку ефективних конструктивно-технологічних рішень ферментерів, особливо це стосується технологічних операцій завантаження біомаси, її безперервного перемішування і дотримання стабільного температурного режиму роботи ферментера.
Таким чином, низька ефективність процесу виділення метану під час твердофазного бродіння в наявних біореакторах обумовлена передусім відсутністю засобів для проведення належної гомогенізації реагуючої біомаси.
При твердофазному зброджуванні, залежно від фізичного стану сировини, а також потреб замовника, варіанти виконання біогазових установок можуть відрізнятися як технологіями переробки, так і устаткуванням. Кожен проект біогазової установки індивідуальний, але створений із застосуванням типових рішень, адаптованих до навколишніх
умов.
Анаеробне зброджування —
поширений метод виробництва біогазу
Поширеним методом виробництва біогазу є анаеробне зброджування рідкої біомаси (W=90–95%) метаногенеруючими мікроорганізмами. Застосування рідкофазних технологічних процесів є більш поширеним у практиці використання біогазових установок. Цей процес полягає у безперервному введенні невеликими порціями вхідної сировини в метантенк, який представляє собою місткість-змішувач без доступу повітря, де підтримується задана вологість і температура. Схема біореактора, яким в основному комплектують зарубіжні БГУ, представлена на рис. 3.
Рисунок 3. Схема рідкофазної біогазової установки
Такі реактори виконуються із залізобетону або сталі і мають антикорозійне покриття. Спеціальні мішалки забезпечують переміщування сировини з основною реагуючою біомасою. Це сприяє певній однорідності ферментаційної суміші, частково стримуючи утворення поверхневої кірки. Виділений у процесі ферментації біогаз накопичується під куполом, потім проходить систему очищення і подається до споживачів (котел або когенераційна установка).
Біогазові установки з анаеробними реакторами такої конструкції наразі є чинним елементом сучасного, безвідходного виробництва в багатьох галузях сільського господарства та харчової промисловості. Якщо на підприємстві є відходи сільського господарства або харчової промисловості, з’являється реальна можливість за допомогою біогазових установок не тільки значно скоротити витрати на енергію, але й підвищити ефективність підприємства, отримати додатковий прибуток.
У конструкціях біогазових установок закладений принцип модульності, що дозволяє при необхідності нарощувати їх продуктивність.
На ринку Західної Європи присутня значна різноманітність біогазових установок різної потужності та конструкцій: великих (більше 1000 кВт), середніх (від 500 до 1000 кВт) та малих (до 500 кВт). У чинних БГУ переважають реактори циліндричної форми. У таких реакторах з певною ефективністю можна перемішувати субстрат, вивантажувати зброджений субстрат, видаляти біогаз і руйнувати поверхневу кірку. При будівництві реакторів використовують бетон, залізобетон, сталевий лист, склопластик. Місткість бродильної камери не повинна мати доступу повітря, а корпус мати теплоізоляцію і корозійну стійкість. У середині бродильної камери має підтримуватися постійна температура, для чого вона обладнана пристроями для термостабілізації. Слід зазначити, що представлений варіант біореактора, як і більшість наявних, мають теплоізоляцію і забезпечують працездатність взимку не тільки в районах південної і центральної Європи з м’яким кліматом, а і країнах континентальним кліматом.
Недоліком такого типу біогазових реакторів є те, що за рахунок недостатнього та нерівномірного прогрівання різних частин суміші, коливання температур в об’ємі субстрату стають значними. Це порушує технологічні вимоги та зменшує продуктивність щодо виходу біогазу порівняно з теоретичним. За рахунок невідповідностей вертикального градієнту температур у нижній зоні утворюється холодний малорухомий шар, а верхня зона перегрівається. До недоліків таких реакторів можна віднести великі площі теплообмінників, що призводить до значного зростання вартості спорудження реактора. Технологія бродіння у біогазових установках потребує дотримання визначених прийнятних меж температурного режиму, та стабілізації теплообміну між нагрівником і субстратом.
Досвід експлуатації таких рідкофазних реакторів вказує на складності, зумовлені недосконалістю процесу, який виконується із застосуванням механічних гвинтових мішалок, можливості яких перемішувати субстрат у конкретний період часу в конкретному об’ємі, не проводячи перемішування шарів субстрату у вертикальній площині, не задовольняє вимогам технологічного процесу гомогенізації та потребам підводу поживних речовин до колоній метаноутворюючих мікроорганізмів по всьому об’єму біореактора. Крім того, в таких реакторах не усувається явище розшарування біомаси з утворенням непродуктивних баластних шарів з різною питомою вагою.
У результаті накопичення мінеральної складової біомаси в нижній частині реактора в процесі експлуатації БГУ продуктивність реакторів падає і протягом 2–3 років становить 50% у відношенні до проектної, значно погіршуючи експлуатаційні й економічні показники виробництва біогазу. Звільнення від баластних шарів є трудомісткою операцією, яку необхідно виконувати у шкідливих умовах.
На вирішення технологічної проблеми щодо накопичення мінеральної складової біомаси в нижній частині реактора необхідно направляти зусилля з удосконалення конструкцій реакторів БГУ. Для цього необхідно розробити технічні рішення з метою усунення розшарування біомаси, зменшити енерговитрати на процес перемішування, створити технологічні і технічні рішення утилізації теплової енергії для можливостей використання термофільного режиму, забезпечити використання інокуляції і мобілізації.
Таким чином, зброджування гною дає змогу вирішити економічні, екологічні та санітарно-епідеміологічні проблеми, що виникають внаслідок накопичення великої кількості відходів тваринництва. Виробництво біогазу є однією з безвідходних технологій, яка виконує природоохоронну і ресурсозберігальну функцію, адже воно не лише не призводить до утворення будь-яких відходів, а й утилізує відходи сільськогосподарського, спиртового, харчового та інших виробництв. І разом з тим, частково дозволяє вирішувати проблему збереження традиційних енергоносіїв.
