У 1776 році вчений Алессандро Вольта зробив висновок про існування взаємної залежності між масою розкладається речовини і обсягом газу, що виділяється, а пізніше було виявлено, що основним пальним компонентом одержуваного біогазу є метан.
Оскільки метан є основним компонентом видобувається з надр природного газу, то в процесі вивчення біогазу почали з'являтися установки для його промислового виробництва в якості альтернативи викопному паливу.
Перша документально підтверджена біогазова установка була побудована в 1859 році в Індії, а вперше в Європі, в Великобританії біогаз почав застосовуватися в вуличних ліхтарях освітлення в 1895 році.
Малюнок, що показує поперечний розріз першої біогазової установки
Біохімічні процеси утворення біогазу
Перші експериментальні установки для отримання біогазу розроблялися методом проб і помилок, без справжнього розуміння процесів, що відбуваються. З розвитком мікробіології було виявлено, що виділення газу відбувається через водневого і метанового бродіння біомаси. Оскільки дані типи бродіння відбуваються без доступу кисню, який виділяє метан процес розкладання біомаси ще називають анаеробним.
Анаеробне зброджування зустрічається в природі при утворенні болотного газу
По-іншому синтез біогазу називають біодеструкцією (біологічним руйнуванням) органічних речовин з виділенням вільного газоподібного метану (CH4). Нижче дана спрощена формула, що демонструє виділення хімічних речовин з органічних сполук в процесі життєдіяльності бактерій метаногенів, у яких в процесі метаболізму виділяється побічний газ метан:
Іншими словами, мікроскопічні бактерії, споживаючи органічні речовини, що містяться в біомасі та біологічних відходах, виділяють горючий газ. Але навіть за найсприятливіших умов виділення горючого газу відбувається не відразу - спочатку потрібен процес ферментації біомаси, розкладання якої відбувається в кілька етапів за певні періоди часу.
Стадії синтезу біогазу
Для розмноження і життєдіяльності виділяють метан метаногенів потрібна живильне середовище, яка формується в установці для отримання біогазу попередніми поколіннями інших бактерій. У першій стадії білки, жири і вуглеводи, наявні в біомасі, під впливом гідролітичних ферментів розпадаються на прості органічні сполуки: амінокислоти, цукор, жирні кислоти. Дана стадія протікає під дією ацетогенних бактерій і називається гідролізом.
Різні бактерії, вид під мікроскопом
У другій стадії під дією гетероацетогенних бактерій відбувається гідролізний окислення частини органічних сполук, при цьому виходить вуглекислий газ, вільний водень і ацетат.
Чи не окислів частина одержані на першій стадії простих органічних сполук при взаємодії з утворився на другій стадії ацетатом формує найпростіші органічні кислоти, які і є необхідною живильним середовищем для бактерій, що виділяють метан на третій стадії.
Стадії життєдіяльності мікроорганізмів при утворенні метану
Саме на третій стадії відбувається виробництво біогазу, інтенсивність якого залежить від таких основних чинників:
- Складу біомаси;
- Температури живильного середовища;
- Тиску всередині установки;
- Кислотно-лужного балансу pH;
- Співвідношення води і завантажується біомаси;
- Подрібнення сировини і частоти перемішування субстрату;
- Наявності стимулюючих і уповільнюють компонентів в середовищі;
- Співвідношення вуглецю, фосфору, азоту та інших елементів.
Схематичне відображення основних вузлів біогазової установки
Оптимальний склад сировини для виробництва біогазу
Оскільки білки, жири і вуглеводи містяться в будь-який біомасі рослинного або тваринного походження, а також у відходах життєдіяльності та харчової промисловості, то крім наукових лабораторій і промислових установок, цілком реально отримувати біогаз в домашніх умовах.
У продовження цієї теми в наступній статті буде докладно розказано про існуючі типи генераторів біогазу і саморобних біогазових установках, які народні умільці роблять своїми руками.
На даному етапі варто нагадати, що біогаз горючий і вибухонебезпечний. а надмірний тиск може розірвати біогазову установку з наступним вибухом газу. Тому першочерговим контрольованим параметром має бути тиск в установці і герметичність конструкції.
Приклади сировини для отримання біогазу
Максимальна кількість біогазу можна отримати з тваринних жирів - близько 1500 м3 з тонни сировини при концентрації метану 87%. Також значний вихід біогазу виходить з пересмаженого рослинного масла - близько 1200 м3 при концентрації CH4- 68%.
Значно менше біогазу виходить з насіння різних рослин від 500 м3 - 54% CH4, (овес) до 644 м3 - 65,7% CH4 (ріпак). З силосу кукурудзи, трави та інших рослин можна отримати 450-100 м3 при середній концентрації метану 55-50%.
Можливе отримання біогазу з різних насіння і коренеплодів
Біогаз з відходів життєдіяльності тварин
З гною тварин вихід газу виходить значно меншим, так як після проходження стравоходу в відходах життєдіяльності кількість поживних речовин для метанобразующих мікроорганізмів мало.
Оскільки у птахів травна система призначена для швидкого відбору основної частини поживних речовин з їжі, з частими випорожненнями для полегшення польоту, то вихід біогазу з посліду буде найбільшим - близько 100 м3 при 65% CH4.
Застосування біогазової установки найбільш вигідно на птахофермах, де існує проблема утилізації пташиного посліду
Тоді як гній великої рогатої худоби має найменшим виходом біогазу - в середньому 25 м3 при 55% CH4, через травного тракту, призначеного для максимального вилучення поживних речовин з корми протягом тривалого часу з багаторазовим пережовування їжі.
Вихід біогазу з гною збільшується при його змішуванні з підстилкою та рештками корму. Також має значення вологість і свіжість гною - для більш докладних даних потрібно вивчати спеціальні таблиці.
Можливе отримання біогазу з гною сільськогосподарських тварин
Великий вплив на швидкість бродіння і концентрацію метану в біогазі надає якість води і наявність домішок. Сильно хлорована водопровідна вода, яка використовується для розведення гною, буде пригнічувати процес бродіння.
Якщо при збиранні стійл застосовуються бактерицидні речовини і хімічні миючі засоби, то швидкість реакцій в біогазову установку значно сповільниться. З цієї ж причини виникають значні труднощі при газифікації відходів каналізації людського житла через малу рентабельність і велику концентрацію миючих засобів.
Незважаючи на низький вихід біогазу з відходів життєдіяльності організмів, в саморобних біогазових установках необхідно додавати гній в інші види сировини для розмноження в субстраті всіх необхідних видів бактерій, які спочатку проживають в травному тракті
Що містить бактерії гній необхідно додавати в субстрат для отримання біогазу
Склад біогазової суміші
Як говорилося вище, на різних стадіях в процесі біосинтезу крім метану виділяються вуглекислий газ і водень. Також в залежності від сировини виділяються аміак і сірководень. Водень хоч і горючий, але його летючість не дозволяє використовувати цей газ в стандартних газових установках.
Аміак і сірководень є отруйними сполуками, які шкодять як бактеріям всередині біогазової установки, так і навколишньому середовищу. Вуглекислий газ є баластом, а його велика кількість в суміші значно знижує горючість і калорійність біогазу.
Середнє процентне співвідношення домішок в біогаз, отримуваний з різної сировини
Очевидно, що через велику кількість домішок використання біогазу в звичайних котлах і кухонних плитах можливо тільки після ретельного очищення синтезованої газової суміші. Очищають отриманий біогаз в кілька етапів, але практично неможливо досягти ідеально чистого метану, головне, щоб концентрація домішок не виходила за встановлені норми.
Полум'я палаючого біогазу має бути чистим, як і вся біологічна енергія
На першому етапі очищення біогаз проходить через водяний фільтр, де розчиняється велика частина вуглекислого газу, аміаку і різних ароматичних сполук. Вода з великою концентрацією розчиненого вуглекислого газу і аміаку може використовуватися для вирощування водоростей, які, в свою чергу, підуть на синтез біогазу в біогазову установку.
Системи очищення біогазу на промислової біогазової установки
Після водяний очищення біогаз надходить на фільтр очищення від сірководню. Найбільш простим є фільтр з металевої стружки і тирси, на яких осідає сірка. У промислових фільтрах застосовуються спеціальні каталізатори і облягати сірку розчини. Найкраща якість біогазу виходить після проходження мембранного фільтру, де на молекулярному рівні відсіваються молекули небажаних домішок.
Очищення біогазу до чистого метану за допомогою мембранного фільтру
Опис впливу деяких факторів на виділення біогазу
Для визначення швидкості бродіння і інтенсивності виділення біогазу одним з вирішальних факторів є температура суміші. Потрібен термометр, а краще електричний датчик для контролю температурного режиму.
У промислових біогазових установках температурний режим та інші параметри контролюються спеціальними контролерами. Іноді теплоти реакції буває досить для підтримки оптимальної температури, але найчастіше субстрат доводиться підігрівати, особливо в холодний період року.
Комп'ютеризований контролер біогазової установки з газоаналізаторами
За температурним режимом розрізняють три види анаеробного бродіння:
- Психрофільні установки, що працюють без обігріву, де температура мимовільно підтримується на рівні 15-25ºC. Застосовуються в країнах з теплим кліматом;
- Мезофільні, вимагають додаткового незначного обігріву для підтримки температури 25-40ºC. Мають найбільш багатим складом утворюються після генерації екологічно чистих добрив, через що оптимально підходять для невеликих господарств;
- Термофільні біогазові установки, що вимагають великих витрат енергії, для підтримання температури понад 40ºC, максимум 90ºC. При даній температурі гинуть хвороботворні бактерії в утворюються добривах, і виходить найбільший вихід біогазу, через що широко застосовується при промисловому виробництві біологічного газу.
Термоізоляція реактора термофільної біогазової установки
Поряд з температурою велике значення має розмір твердих частинок гною, відходів і біомаси. Чим менше частки сировини, тим більше площа контакту бактерій з живильним середовищем. Тому найголовніше при приготуванні сировини - це його подрібнення.
Контакт бактерій з їжею не може у процесі біосинтезу через накопичення продуктів життєдіяльності мікроорганізмів. Тому своєчасне перемішування субстрату в процесі бродіння також являє собою значний фактор для газифікації біомаси. Приклад промислової біогазової установки з контролем всіх параметрів:
Рентабельність виробництва біогазу
Лідером у виробництві якісного біогазу з вирощуваного сировини і відходів тваринницьких ферм є Німеччина. Рентабельність біосинтезу газу визначається великою вартістю енергоносіїв з одного боку і наявністю стимулюючих державних програм.
Стимулом до впровадження біогазових технологій є як значна субсидія при покупці екологічних енергоносіїв у виробників, так і значна сума штрафу за забруднення навколишнього середовища не переробленим гноєм.
Екологічно чистий біогазовий комплекс в економічно розвинутих країнах
У бідних селах Індії та Китаю власники напівкустарних біогазових установок практично не очищають свій газ, тут же спалюючи його в плиті або газовому пальнику. В даних країнах виробництво біологічного газу з побутових відходів та спеціально вирощуваного рослинної сировини окупається завдяки низькій вартості ручної праці селян і невеликій вартості самих установок, позбавлених дорогих систем очистки і складних автоматизованих комплексів контролю і управління.
Приклад напівкустарних біогазових установок в бідних селах Азії
У пресі та інтернеті можна знайти багато життєрадісних заголовків типу: «Економія бюджету за допомогою біогазової установки», «Безкоштовна енергія з гною», «Біогаз своїми руками», але на практиці очікування по окупності дорогого устаткування і витрат розходяться з реальністю. Це відбувається через складність контролю всіх параметрів, а також необхідністю підігріву для оптимальної швидкості бродіння. Приклад оптимістичного новинного сюжету:
У наступній статті будуть наведені приклади саморобних установок з демонстрацією виходу газу в реальних умовах, і кожен зможе для себе визначити рентабельність самостійного виробництва біогазу, виходячи зі своїх можливостей і тарифів на енергоносії.
Біогазова установка власними силами
Вітряна електростанція частина 1. Практичні розрахунки
Вітряна електростанція частина 2. Вітрогенератор для дому