ВВЕДЕНИЕ

Наверное, не каждый знает, что самые обычные органические отходы любого сельского подворья — навоз животных, огородная ботва, сорняки и другая «органика» — в определенных условиях могут стать источником столь необходимого в домашнем хозяйстве горючего газа, который сгодится и для приготовления пищи, и отопления помещения, и получения горячей воды.

В настоящее время, когда налицо известные трудности с традиционными видами топлива (уголь, нефтепродукты и т. п.), а о стоимости их и говорить не приходится, биогаз если не полностью, то хотя бы частично обеспечит потребности сельских жителей, владельцев дачных и садовых участков в топливе. Кроме того, при переработке отходов с целью производства биогаза эти отходы полностью идут в дело, в результате не только улучшается санитарное состояние территории, уничтожаются возбудители инфекционных заболеваний, исчезает неприятный запах гниющих растений, гибнут семена сорняков, но и образуются ценнейшие высоко­качественные органические удобрения, обладающие повышенным гумусным потенциалом.

Но чтобы каждый желающий мог соорудить на своем подворье простейшую биогазовую установку собственными руками, полезно иметь представление об основных особенностях технологии получения биогаза из органических отходов, а также о факторах, влияющих на производительность биогазовых установок, и о конструкции этих установок.

ЧТО ЗА ГАЗ БИОГАЗ?

Получение биогаза из органических отходов основано на свойстве последних выделять горючий газ в результате так называемого «метанового сбраживания» в анаэробных (без доступа воздуха) условиях. Биогаз, образующийся при метановом сбраживании, представляет собой смесь, состоящую из 50...80% метана, 20...50% углекислого газа, примерно 1 % сероводорода, а также включающую в себя незначительное количество некоторых других газов (азота, кислорода, водорода, аммиака, закиси углерода и др.). Напомним, что 1 м3 метана при сгорании выделяет энергию, равную примерно 20...25 МДж.

В свою очередь, «метановое сбраживание» происходит при разложении органических веществ в результате жизнедеятельности двух основных групп микроорганизмов. Одна группа микроорганизмов, обычно называемая кислотообразующими бактериями, или бродильными микроорганизмами, расщепляет сложные органические соединения (клетчатку, белки, жиры и др.) в более простые, при этом в сбражи-ваемой среде появляются первичные продукты брожения — летучие жирные кислоты, низшие спирты, водород, окись углерода, уксусная и муравьиная кислоты и др. Эти менее сложные органические вещества являются источником питания для второй группы бактерий — метанообразующих, которые превращают органические кислоты в требуемый метан, а также углекислый газ и др.

В этом сложном комплексе превращений участвует великое множество микроорганизмов, по некоторым данным — до тысячи видов, но главное из них все-таки метанообразующие бактерии. Отметим, что метанообразующие бактерии значительно медленнее размножаются и более чувствительны к изменениям окружающей среды, чем кислотообразующие микроорганизмы-бродильщики, поэтому вначале в сбраживаемой среде накапливаются летучие кислоты, а первую стадию метанового сбраживания называют кислотной. Потом скорости образования и переработки кислот выравниваются, так что в дальнейшем разложение субстрата и образование газа идут одновременно. И естественно, от условий, которые создаются для жизнедеятельности метанообразующих бактерий, зависит интенсив­ность газовыделения.

Как кислотообразующие, так и метанообразующие бактерии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. Считается, что в навозе крупного рогатого скота имеется полный набор микроорганизмов, необходимых для его сбраживания. И подтверждением этому является то, что в рубце и кишечнике жвачных животных постоянно идет процесс метанообразования. Следова­тельно, нет необходимости применять для получения биогаза чистые культуры мета-нообразующих бактерий для того, чтобы вызвать процесс брожения. Достаточно лишь обеспечить для уже имеющихся в субстрате бактерий подходящие условия для их жизнедеятельности.

Для создания таких условий органические отходы сбраживают в специальных бродильных камерах (биореакторах), где поддерживают строго анаэробную среду, а также соответствующие температурный и кислотный (рН) режимы, давление и другие необходимые условия.

А теперь, прежде чем перейти к рассмотрению различных конструкций биогазовых установок, остановимся коротко на основных факторах, влияющих на эффективность работы (производительность) подобных установок. Знание этих факторов просто обязательно, так как только оно позволит сделать биоустановку по-настоящему рентабельной и не превратит работу по получению столь не­обходимого газа в бесполезное перелопачивание навоза!

КАК ДОБИТЬСЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГЕНЕРАТОРА

Для эффективной работы установки, производящей биогаз, кроме строго анаэробной среды, придется соблюдать ряд требований. Во-первых, поддерживать в реакторе оптимальные температурный и кислотный режимы. Во-вторых, постоянно следить за наличием питательных веществ в сбраживаемой среде, обеспечивая низкое содержание в данной среде веществ-ингибиторов, то есть веществ, пре­пятствующих жизнедеятельности микроорганизмов.

Вообще-то образование метана идет в достаточно широком интервале температур (8...60° С), при этом при определенных температурах в процессе сбраживания участвуют определенные виды бактерий.

Обычно различают три характерных уровня температур, предпочтительных для отдельных видов бактерий. Психрофильный режим идет при температуре 8...20° С, мезофильный — при 25...40° С, термофильный — при 45...60° С. Более производительны термофильный и мезофильный режимы сбраживания, однако все три режима имеют как свои преимущества, так и недостатки. Режимы с более высокими температурами требуют больших затрат энергии на поддержание оптимальной температуры, зато здесь благодаря сокращению продолжительности сбраживания удается значительно сократить объем биореактора и таким образом увеличить производительность биогазовой установки. Однако часто поддержание в биомассе высоких температур на практике связано с большими затратами энергии на обогрев и термоизоляцию биореакторов, что в свою очередь значительно удорожает процесс получения биогаза. Так, стоимость энергии, необходимой для подогрева содержимого бродильной камеры при термофильном сбраживании, настолько велика, что перевешивает всякие выгоды, связанные с более быстрым, чем в других случаях, сбраживанием. Отсюда следует, что в условиях домашнего хозяйства практическое значение имеет только мезофильное (25...40° С) или психрофильное (8...200 С) метановое сбраживание. (О способах обеспечения соответствующих температурных режимов этих способов сбраживания будет рассказано ниже.)

Для нормального протекания брожения необходима слабощелочная реакция среды (рН=7...8). При оптимальной (ровной) активности кислотообразующих и метановых бактерий (то есть при установившемся процессе брожения) значение рН поддерживается в желательных пределах «автоматически». Однако иногда кислотообразующие бактерии начинают размножаться быстрее, чем метановые, из-за чего концентрация летучих жирных кислот в бродильной камере возрастает и происходит так называемое «закисление», в результате чего выход биогаза снижается, а кислотность биомассы увеличивается. В этом случае в содержимое биореактора следует добавить горячую воду, известковое молоко, соду. При нарушении баланса между азотом и углеродом его восстанавливают добавлением в биомассу коровьей мочи.

Основой беспрепятственного размножения анаэробных бактерий служит, естественно, наличие питательных веществ в сбраживаемой среде. И почти все питательные вещества, необходимые для роста метановых бактерий, содержат экскременты животных, являющиеся основным сырьем для производства биогаза. Разнообразие видового состава метано-образующих бактерий позволяет использовать практически все виды жидких и твердых органических отходов. Но лучшая органическая масса для получения биогаза — навоз крупного рогатого скота в смеси с растительными остатками (влажность биомассы не менее 85...90%).

Сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Не способствуют «работе» микроорганизмов и некоторые неорганические вещества, поэтому нельзя, например, использовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стирки белья синтетическими моющими средствами.

Выработка биогаза зависит и от многих других причин. Например, на поверхности органической массы периодически образуется плавающая корка, мешающая выходу биогаза. Поэтому ее необходимо устранять, перемешивая содержимое биореактора 1...2 раза в сутки. Перемешивание способствует также равномерному распределению температуры и кислотности в биомассе, находящейся в камере сбраживания.

Для полного разложения органического вещества, как правило, необходимо длительное время. При этом продолжительность сбраживания, учитывая присущую данному виду отходов скорость разложения, зависит от требуемой степени разложения органического вещества. Обычно максимальный выход биогаза и лучшие по качеству удобрения наблюдаются при разложении органического вещества (навоза) до 30...33%. Заметим, что при пребывании биомассы в биореакторе в течение 14...15 дней полнота ее разложения составляет 25%.

При непрерывном способе сбраживания, когда выгрузка определенного объема «отработавшего» в реакторе органического вещества происходит одновременно с загрузкой такого же объема свежего материала, выделяется наибольшее количество биогаза. И при такой организации процесса для малогабаритных биогазовых установок в приусадебных хозяйствах доза ежесуточной загрузки обычно не превышает 4...5% полезного объема камеры сбраживания.

РАЗНОВИДНОСТИ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Установки для производства биогаза из органических отходов обычно подразделяют на четыре основных типа:

•  без подвода тепла и без перемешивания сбраживаемой биомассы;
•  без подвода тепла, но с перемешиванием сбраживаемой биомассы;
•  с подводом тепла и с перемешиванием биомассы;
•  с подводом тепла, с перемешиванием биомассы и со средствами контроля и управления процессом сбраживания.

Понятно, что обязательные компоненты биогазовой установки — сам биореактор и газгольдер для сбора биогаза, ну а устройства для подогрева биомассы, ее перемешивания, а также средства контроля — вещи весьма полезные, но можно обойтись и без них.

БИОРЕАКТОР

Биореактор — основа любой биогазовой установки, и к его конструкции предъявляются достаточно жесткие требования. Так, корпус биореактора должен быть достаточно прочен при абсолютной герметичности его стенок. Обязательны хорошая теплоизоляция стенок и их способность надежно противостоять коррозии. При этом необходимо предусмотреть возможность загрузки и опорожнения реактора, а также доступ к его внутреннему пространству для обслуживания.

Формы реакторов весьма разнообразны. Так, с точки зрения создания наиболее благоприятных условий для перемешивания жидкого субстрата, накапливания газа, отвода осадков и разрушения образующейся корки представляется целесообразным использование резервуара, формой напоминающего яйцо (рис. 1, а). Крупные реакторы такой формы обычно сооружают из бетона, поэтому для них ха­рактерна высокая стоимость изготовления, что существенно ограничивает их применение. Зато подобные реакторы меньших объемов достаточно несложно выполнить из стеклопластика, то есть из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном, и обходятся они не так уж и дорого.