А.П. Садчиков “Получение метана из отходов”

Сейчас все, кому ни лень, говорят об альтернативных источниках энергии, хотя большинство имеет небольшое представление об этом. Мы попытаемся рассказать об одном из способов получения такой энергии.

На любом сельском дворе и дачном участке ежедневно образуется большое количество отходов. Это бытовой мусор, трава после прополки, навоз животных, сухая листва и ботва, испорченные фрукты и овощи, и многое другое. Все это сжигается, компостируется или закапывается в огороде. В крупных хозяйствах таких отходов, соответственно, значительно больше. Особенно актуальна проблема, связанная с утилизацией отходов,  в больших животноводческих комплексах, где образуется огромное количество жидкого навоза. Его транспортировка на поля в качестве удобрения слишком дорогостояща.

В небольших хозяйствах весь этот мусор чаще всего компостируются. Однако необходимо иметь в виду, что большинство отходов может быть использовано в качестве органических удобрений только после соответствующей переработки. Навоз животных содержит массу семян сорняков, яйца гельминтов, цисты простейших, растительные отходы и падалица заражены грибками и вирусами, которые долго сохраняются в живом виде и могут  заражать другие растения. Кроме того, в растительном мусоре зимуют многие вредители сельскохозяйственных культур. Все эти отходы, особенно жидкий навоз, могут быть использованы для получения биогаза.

Образование биогаза (метана) в природе протекает повсеместно:  в первую очередь – в болотах (отсюда другое название метана – болотный газ), в тундрах, в осадках на дне водоемов, на рисовых полях, лиманах и конечно в отстойниках очистных сооружений. Метан образуется в рубце жвачных животных (корова, к примеру, выделяет до 900 л метана в день).

Биогаз – это смесь метана (NH4)  и углекислого газа (CO2). Содержание метана в биогазе варьирует от 50 до 85% и определяется составом сбраживаемой массы. Так, при распаде жироподобных веществ образуется больше биогаза, причем содержание в нем метана достигает 70%; при сбраживании углеводоподобных соединений доля метана уменьшается до 50%. Так, при распаде 1 г жироподобных веществ образуется до 1,2 л газа, из которого 68% приходится на NH4 и 32% – CO2. Присутствие углекислоты соответственно снижает теплотворную способность биогаза. Жироподобные вещества сбраживаются на 70%, а углеводоподобные – на 60%.

Человек уже давно научился трансформировать  отходы жизнедеятельности в биогаз. Его получали уже в девятнадцатом  столетии, и в принципе существенных изменений в технологии за все это время не произошло. Процесс получения биогаза отличается простотой оборудования и доступностью сырья. Он обладает двумя важными преимуществами: во-первых, происходит образование газа, который  используется в качестве источника энергии. Во-вторых, оставшийся шлам (отходы после получения газа)  является отличным удобрением длительного действия.

Технология получения биогаза настолько проста, что во многих странах с теплым климатом (в частности, Китае, Индии, Пакистане) ее применение приобрело массовый характер. В Китае в сельской местности действует десятки миллионов дешевых и простых установок вместимостью 10-15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из нескольких человек.  В Индии также функционируют миллионы таких установок. В качестве сырья используется навоз и растительные отходы. Опыт показывает, что навоз от 10 коров дает ежедневно около 2 м3 биогаза, что эквивалентно 1,3 л бензина. В среднем  1 кг органического  вещества навоза крупного рогатого скота позволяет получать около 200 литров биогаза, навоза свиней – 300 л, птичьего помета – 400 л.

Сбраживание органического субстрата осуществляется в специальных бродильных камерах (метантенках). Твердые органические отходы (солома, навоз и др.) предварительно должны быть смочены водой (влажность должна быть около 95%).

Метантенки представляют собой герметичные сосуды кубической или цилиндрической формы, расположенные вертикально или горизонтально. В них помещают сырье, содержащее 2-12% органического вещества, и герметично закрывают, так как образование биогаза осуществляется в анаэробных (т.е., без доступа воздуха) условиях. Образование метана осуществляет небольшая группа бактерий, относящихся к архебактериям. Их жизнедеятельность протекает в строго анаэробных условиях.

В процессе сбраживания выделяют две фазы: на первом этапе микроорганизмы, используя различные органические вещества, потребляют кислород и создают анаэробные условия. Кроме того, происходит удаление и других окислителей, например, нитрата, сульфата. При этом в среде накапливаются органические кислоты (в первую очередь муравьиная, пропионовая, уксусная), различные спирты, альдегиды, водород и углекислота. Эти продукты затем трансформируются в  метан.

Вторая стадия приводит к образованию метана. Метановое брожение осуществляется при 30-40о(мезофильный процесс) или 50-60о (термофильный процесс). Последний является наиболее быстрым и эффективным.  Процесс метанообразования отличается высокой эффективностью: до 90-95% используемого углерода переходит в метан.

Образование метана достаточно сложный процесс, однако упрощенная схема получения метана может быть описана следующими химическими реакциями.

С6Н12О6 + 2Н2О → 2СН3СООН + 4Н2 + 2СО2

2 + СО2 → СН4 + 2Н2О

СН3СООН → СН4 + СО2

_________________________________________________________

С6Н12О6 →  3СН4 + 3СО2

В метантенках 2/3 метана образуется за счет ацетата, а 1/3 – из углекислоты. В образовавшемся метане сохраняется до 83% энергии разлагаемой глюкозы. Таким образом, метаногенез с участием многокомпонентной микробной системы –выгодный и энергетически экономичный путь превращения органического вещества в топливо.

В индивидуальных хозяйствах используют метантенки объемом от 10-20 л до 1 м3. Промышленные установки достигают объема  несколько тысяч кубических метров. Последние изготавливаются из металла или железобетона. Метантенки снабжены мешалками для перемешивания бродящей массы, что ускоряет процесс  образования метана и поддерживает необходимую температуру внутри реактора. Образующиеся газы удаляются через выводную трубку, расположенную в верхней части метантенка.

Скорость процесса определяется температурой ферментации (в термофильных условиях она в 2-3 раза выше, чем в мезофильных), химическим составом сырья, его вязкостью, количеством бактерий и степенью перемешивания. Важным моментом является скорость поступления сырья в реактор и время нахождения в нем. В зависимости от технических условий ферментация осуществляется непрерывно, полунепрерывно или периодически, т.е. в любое время можно загружать реактор сырьем (в пределах 7-20% объема ферментера в сутки).  Следовательно, цикличность процесса равна 5-14 суток.

Чем интенсивнее процесс брожения, тем должна быть выше скорость загрузки сырья в реактор и рентабельнее само производство биогаза. Интенсивно работающий метантенк необходимо перезагружать один раз в 5-14 суток.  Необходимо иметь в виду, что твердые отходы сельскохозяйственного производства (животноводства и растениеводства) сбраживаются медленнее, чем измельченные. При нормальных условиях ферментации на каждую тонну сбраживаемого органического вещества образуется до 300-600 м3 биогаза. Один кубический метр биогаза эквивалентен 4 квт/ч электроэнергии, или 0,62 л керосина, 1,5 кг угля, 3,5 кг дров, 0,43 кг бутана. Так что одна тонна мусора эквивалентна более 300 л керосина или 750 кг угля.

На интенсивность газообразования большое значение оказывает перемешивание и температурный режим. Это связано с тем, что в процессе метанового брожения биогенное разогревание невелико, т.е. процесс эндотермофильный. Он требует постоянного подогрева для поддержания постоянной температуры ферментации. Поэтому в средней полосе нашей страны приходится максимально экономить тепло: метантенки должны быть хорошо термоизолированы или их немного подогревают. В противном случае значительную часть производимого метана пришлось бы  использовать на обогрев самого метантенка. Это является одной из причин, из-за чего метантенки в домашнем хозяйстве привились, прежде всего, в тропических областях, где температура воздуха довольно высока.

При сбраживании навоза на образование биогаза и жизнедеятельность микроорганизмов теряется около 2/3 сухой массы органического вещества, при этом азота теряется незначительное количество, а фосфор сохраняется практически полностью. Шлам по многим показателям  превосходит навоз (той же массы); содержит большое количество азота и фосфора, в нем присутствует витамин В12 и другие биологически активные вещества. Азот на 20% представлен  аммонием, остальной – в составе органических соединений. В связи с этим осадок представляет собой хорошее удобрение длительного действия. Сорняки и патогенные организмы при этом погибают полностью. Кроме того, шлам может использоваться для производства ценных биологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяйстве.

Главная выгода  заключается в том, что в результате переработки агропромышленных отходов и животноводческих стоков, образующихся при интенсивном разведении скота, можно получать не только метан, но и хорошее органическое удобрение по своей ценности превосходящее навоз.

Однако необходимо констатировать, что при существующих ценах на газ производство биогаза вряд ли оправдано, кроме случаев, когда газ получают из уже сконцентрированных отходов (на крупных животноводческих фермах или станциях аэрации). В этом случае отсутствуют затраты на сбор и транспортировку отходов к метантенкам. Однако в общей системе мероприятий по переработке жидких отходов животноводческих ферм получение газа и удобрений представляется перспективным.

При реализации проекта использованы средства государственной поддержки, выделенные в качестве гранта в соответствии c распоряжением Президента Российской Федерации от 29.03.2013 № 115-рп») и на основании конкурса, проведенного Обществом «Знание» России.

А.П.Садчиков,

Московское общество испытателей природы

(http://a0008297.xsph.ru)

Вам может быть интересно

konkurs2017

Юбилейные чтения к 100-летию Института им. Н. К. Кольцова РАН

drozdov

Почётный член МОИП — лауреат правительственной премии

Актуальное