Глава 2. Технология производства биогаза

Биогаз – это газ, который получается в результате метанового сбраживания. Метановое брожение по другому называется анаэробным брожением и как результат получаем:

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-й стадии в метан СН4, воду Н2О, двуокись углерода.

В качестве органических отходов используются: навоз, зерновая и мелассная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов — лактоза, молочная сыворотка.

Принцип производства биогаза заключается в экологически чистой безотходной переработке органических отходов. 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 соответствии с функциональной схемой перечисленные виды отходов накапливаются в специальном бункере. В этот бункер осуществляется предварительная подготовка биомассы и в жидком виде подается в метантенке (биореактор).

В зависимости от суточного выхода навоза, помета и других отходов, а также от объема потребности биогаза в тот или иной период выбирается мезофильный или термофильный режим работы биореактора. Очень важно при первичной загрузке биореактора смешать коровий навоз и птичий помет приблизительно в равных пропорциях.

Процесс сбраживания может проходить при использование или не использования катализатора. На рис.2 представлен процесс получения биогаза в созданной установке объемом биореактора 0,26 куб.м. и объемом газгольдера 0,080 куб.м. без использования катализатора и с использованием птичьего помета в качестве сырья.

Рис.2. Динамика роста давления в метантенке от начало загрузки сырья до получения товарного (горючего) газа без использования катализатора и температура сбраживания 20⁰С. Точка 1, является точкой получения горючего газа СН₄, углекисленного газа и водорода ≈50%.

Как видно из рис.2 горючий газ получается только на 10 сутки. Продолжительность сбраживания 20–30 суток. Выбранный режим сбраживания и использование катализаторов решающим образом влияет как на начало выдачи товарного (горючего) газа, так и на продолжительность сбраживания. Поскольку биогаз расходуется неравномерно, а установка вырабатывает его постоянно, то возникает вопрос об его аккумулировании. С этой целью, предложенная установка снабжена газгольдером.

При использовании катализаторов, процесс сбраживания происходит более интенсивно, как это видно из рис.3.

На рис.3 показан процесс сбраживания также для птичьего помета но при других условиях:

- Катализатор – меласса 5% от объема загрузки;

- Температура сбраживания 37⁰С;

Продолжительность сбраживания 17-25 суток в зависимости от качества сырья.

Рис.3. Динамика роста давления в метантенке от начало загрузки сырья до получения товарного (горючего) газа с использованием катализатора и температура сбраживания 37⁰С. Точка 1, является точкой получения горючего газа СН₄.

Хорошим катализатором сбраживания биомассы является меласса (патока). Поэтому, на рис.3 представлены полученные результаты при использовании мелассы в пропорциях 5% от объема загружаемого биомассы. Тип ферментации был выбран мезофильный. Как видно из результатов представленных на рис.3 горючий газ получается уже на 3 сутки. Продолжительность сбраживания при этих условиях составляет 17-25 суток в зависимости от качества сырья.

Первичный запуск биореактора осуществляется путем подогрева и поддерживания температуры биомассы при использовании традиционных видов энергии (электрическая энергия, дрова, пропан – бутан и др.). Режим работы биореактора контролируется манометром высокого давления, манометром низкого давления и датчиком температуры. При появлении горючего газа (55-60% СН₄ и 40-45% СО₂) подача тепловой или электрической энергии от постороннего источника прекращается и дальнейшее поддерживание режима работы биореактора осуществляется в соответствии с функциональной схемой.