1. Биогаз – это
2. Достоинства:
1. Экон
2. Экол
3. соц
3. Биогазовая станция

  3.1. Принцип  работы (описание, схема)

  3.2. оптимизация  процесса получения биогаза

  3.3.

4. лабораторное испытание 

1.Биогаз — продукт сбраживания органических отходов (биомассы), включая органическую фракцию твердых бытовых отходов, навоз и фекалии человека, в анаэробных условиях (в метантенках). Представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов. Этот вариант биоэнергетики самый экологичный, так как для производства топлива не используется продовольственное сырье.

Небольшие установки  для получения биогаза широко применяются в теплых странах. Лидер по использованию биогаза — Китай. В этой стране работает более 10 млн небольших биогазовых установок, дающих энергию для нужд сельского населения. Кроме того, 64 тыс. биогазовых станций обеспечивают работу 190 электростанций и более 60% автобусного парка, работающего на сжиженном биогазе.

Также бурно  развивается производство биогаза в Индии. При получении биогаза из навоза одновременно решаются две проблемы: получается дешевая энергия и утилизируется бесподстилочный навоз крупных животноводческих комплексов и фекалии птицефабрик.

Как известно, бесподстилочный навоз плохо компостируется, его предварительно нужно смешивать с дополнительной органикой (соломой или опилками), что дорого. А без компостирования вносить его на поля нельзя, так как он токсичен и убивает почвенную микрофлору. Отходы получения биогаза из такого навоза являются хорошим удобрением.

В мире работают сотни больших биогазовых заводов, перерабатывающих навоз. В Германии их 500 (сырьем служит смесь из 70% коровяка и 30% птичьих фекалий), в США создан крупный биогазовый завод, на котором утилизируется навоз от 115 тыс. коров! Этот опыт, несомненно, полезен для России, где вновь начато строительство крупных животноводческих комплексов, навоз которых пока накапливается в хранилищах.

В Швеции, которая  сегодня стала лидером по использованию  нетрадиционной энергетики в ЕС, биогаз получают из отходов мясокомбинатов (внутренностей животных). Даже курсирует особый поезд, работающий на сжиженном биогазе. Биогаза, полученного при переработке внутренностей одной коровы, достаточно, чтобы поезд проехал 4 км.

В нашем климате  для того, чтобы успешно про-текал биохимический процесс, метантенк нужно подогревать. В Мурманской области работают две крупных биогазовых установки с реакторами объемом в 50 м3.

Близок к биогазу свалочный газ, который вырабатывается в толщах гигантских «метантенков» — старых городских свалок и добывается оттуда через скважины примерно так же, как природный газ. Биогаз — газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Состав биогаза 50—87 % метана, 13—50 % CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан — полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.

Сырьё для получения Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, помет, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля — технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов — очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50—65 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.

Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый  выход газа. В 1950-70-х годах технически возможный выход газа составлял  всего 20-30% от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычно установке с 60% до 95%. В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Чтобы посчитать  выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстроразлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить.

Раньше, когда  не было науки о биогазе и биогаз ассоциировался с навозом, применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться. Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 500 м³ из 1 тонны.

Экология Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана — лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления. Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

2. Экологические аспекты

Переход предприятия  на биогаз связан с некоторыми аспектами, положительно влияющими на экологию:

• Переработка биомассы в биогаз – экологичный способ переработки органических отходов;
• Получение биогаза и использование его вместо природного газа избавляет от необходимости использовать дорогостоящий невозобновляемый ресурс;
• Переработка органических отходов даёт (в зависимости от характера перерабатываемого сырья) кормовые добавки или эффективные биоудобрения;
• Антропогенная нагрузка на экосистемы снижается;
• Предприятие эффективно использует возобновляемые ресурсы.

Экономические аспекты

Переход предприятия  на собственный биогаз связан с существенными экономическими выгодами. Вот некоторые экономические аспекты, связанные с переработкой органических отходов на биогазовых станциях:

• Общий годовой объём органических отходов в России составляет порядка 624,5 миллионов тонн.
• Из этих отходов потенциально можно получить 31 225 млн м³ биогаза.
• Этот объём биогаза может дать 68 695 ГВт энергии и 85 869 ГВт тепла.
• Из естественных можно получить сухие и гранулированные отходы нулевой себестоимости, 350-500 руб. за тонну. Их можно продать или использовать для нужд предприятия.
• В Европе цена возобновимого биогаза составляет 200 Евро за 1000 м³, для сравнения природный газ (невозобновимый ресурс) стоит от 300 до 500 Евро.
• Биогазовые установки очень быстро окупаются и начинают приносить предприятию прибыль.

Законодательство  биогазового рынка

Биоэнергетика сегодня является одним из перспективных  направлений развития альтернативных методов получения энергии. Понимание  необходимости перехода на возобновляемые энергетические ресурсы и его  правового регулирования обнаруживает необходимость в создании и развитии законодательной базы в этой области.

На сегодняшний  день в рамках законодательной базы по возобновляемым источникам энергии  в России действуют следующие  нормативные акты:

• Распоряжение Правительства РФ от 08 января 2009 года № 1-Р «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года»;
• Федеральный Закон № 35 «Об электроэнергетике», в который 4 сентября 2007 года были внесены поправки, определяющие понятие «возобновляемых источников» и обозначающие основные направления, методы и принципы развития и поддержки ВИЭ;
• Постановление Правительства РФ N426 от 3 июня 2008 г. “О квалификации генерирующего объекта на основе возобновляемых источников энергии”;
• Приказ Минэнерго от 17 ноября 2008г. N187 “О порядке ведения реестра выдачи и погашения сертификатов, подтверждающих объем производства электрической энергии на квалифицированных генерирующих объектах, функционирующих на основе использования возобновляемых источников энергии”;
• Положения совета рынка, устанавливающие формы документов, техническую документацию для счётчиков произведённой энергии и т.д.

Выгоды  биогазовой станции

Если Ваша компания связана с животноводством или  другой сферой, которая подразумевает  большое количество органических отходов, мы предлагаем Вам ознакомиться с  выгодами, которые могут дать Вашему предприятию биогазовые установки. Цена такой станции, конечно, не может быть низкой, и мы не будем обещать этого, однако с нашей компанией возможна постепенная оплата. К тому же, установка биогаза очень быстро окупается – ведь, в отличие от других станций, главной функцией которых является утилизация биоорганических отходов, установка биогаза не потребляет электроэнергию, а наоборот — обеспечивает автономное энергоснабжение для всего предприятия. Экономическая выгода налицо! 

Производство  и использование биогаза при помощи построенной нами станции даёт следующие выгоды:

• почти бесплатный газ: биогаз. Технология очистки позволяет подготавливать полученный из органических отходов газ для различных целей – получения электроэнергии, заправки автомобилей и так далее. При том, что газ дорожает, выработка собственного – просто спасение, особенно для отдалённых районов, протяжка газопровода к которым стоит немалых денег.
• экономия капитальных затрат около 40% от стоимости биогазовой станции. Если Ваше предприятие на данный момент находится в процессе строительства, установка биогаза (биогазовой станции) позволит сэкономить на прокладке газопровода и линий электропередачи, а так же на установке лагун и резервного дизель генератора.
• автономное энергоснабжение: Ваше предприятие будет само обеспечивать себя электроэнергией и теплом. Больше никакой зависимости от роста цен, отключения и перепадов электроэнергии в общественной сети!
• тепло: в процессе работы биогазовой станции происходит охлаждение генератора, сжигается биогаз. Технология, используемая в наших биогазовых станциях, позволяет использовать это тепло для обогрева предприятия, а так же для приведения в действие рефрижераторов.
• в результате работы биореактора получается не только биогаз, но и качественные биоудобрения. Как известно, такие отходы, как навоз или барда, становятся эффективным удобрением только через 3-5 лет. При использовании биогазовой станции перебродившие отходы становятся эффективным удобрением, повышающим урожайность на 30-50%, практически сразу же, а их себестоимость практически равна нулю.

Польза применения биогазовых методик.

• Экономические Усовершенствование биогазовой энергетики может принести значительную экономическую пользу всем привлекшимся участникам рынков аграрного и энергетического производства. Для предприятий АПК – уменьшение природоохранных платежей, частное формирование электроэнергии и тепла. Для инвестора – при условии единого применения продукции биогазовой базы, период окупаемости таких программ составляет около 3-5 лет.
• Экологические Для переработки аграрных отходов и ТБО применяются биогазовые проекты. Использование биогазовых проектов напрямую и косвенно уменьшает количество вредных выбросов в среду парниковых газов (метана и CO2).
• Социальные Наблюдения, которые провела Европейская комиссия, доказывают тот факт, что рост биогазовой энергетики позволяет решить задачу трудоустройства в сельских районах и увеличивает заработок населения. Помимо этого, появление биогазовых технологий позволяет развивать всю структуру, и ее составляющих, в селе. Благодаря этому жизнь сельского населения значительно улучшается

3.2. оптимизация процесса получения биогаза

Кислотообразующие и метанобразующие бактерии встречаются  в природе повсеместно, в частности  в экскрементах животных. В пищеварительной  системе крупного рогатого скота  содержится полный набор микроорганизмов, необходимых для сбраживания  навоза. Поэтому навоз КРС часто  применяют в качестве сырья, загружаемого в новый реактор. Для начала процесса сбраживания достаточно обеспечить следующие условия:

Поддержка анаэробных условий  в реакторе

Жизнедеятельность метанообразующих бактерий возможна только при отсутствии кислорода в реакторе биогазовой установки, поэтому нужно следить за герметичностью реактора и отсутствием доступа в реактор кислорода.

Соблюдение  температурного режима

Поддержка оптимальной  температуры является одним из важнейших  факторов процесса сбраживания. В природных  условиях образование биогаза происходит при температурах от 0°С до 97°С, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют три температурных режима:  
 
•     психофильный температурный режим определяется температурами до 20 - 25°С,  
•     мезофильный температурный режим определяется температурами от 25°С до 40°С и  
•     термофильный температурный режим определяется температурами свыше 40°С.  
 
Степень бактериологического производства метана увеличивается с увеличением температуры. Но, так как количество свободного аммиака тоже увеличивается с ростом температуры, процесс сбраживания может замедлиться. Биогазовые установки без подогрева реактора демонстрируют удовлетворительную производительность только при среднегодовой температуре около 20°С или выше или когда средняя дневная температура достигает по меньшей мере 18°С. При средних температурах в 20-28°С производство газа непропорционально увеличивается. Если же температура биомассы менее 15°С, выход газа будет так низок, что биогазовая установка без теплоизоляции и подогрева перестает быть экономически выгодной.  
 
Сведения относительно оптимального температурного режима различны для разных видов сырья. Для биогазовых установок работающих на смешанном навозе КРС, свиней и птиц, оптимальной температурой для мезофильного температурного режима является 34 - 37°С, а для термофильного 52 - 54°С. Психофильный температурный режим соблюдается в установках без подогрева, в которых отсутствует контроль за температурой. Наиболее интенсивное выделение биогаза в психофильном режиме происходит при 23°С.  
 
Процесс биометанации очень чувствителен к изменениям температуры. Степень этой чувствительности в свою очередь зависит от температурных рамок, в которых происходит переработка сырья. При процессе ферментации могут быть допустимы изменения температуры в пределах:  
•     психофильный температурный режим: ± 2°С в час;  
•     мезофильный температурный режим: ± 1°С в час;  
•     термофильный температурный режим: ± 0,5°С в час.  
 
На практике более распространены два температурных режима, это термофильный и мезофильный. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Преимущества термофильного процесса сбраживания это повышенная скорость разложения сырья, и следовательно более высокий выход биогаза, а также практически полное уничтожение болезнетворных бактерий, содержащихся в сырье. К недостаткам термофильного разложения можно отнести; большое количество энергии, требуемое на подогрев сырья в реакторе, чувствительность процесса сбраживания к минимальным изменениям температуры и несколько более низкое качество получаемых биоудобрений.  
 
При мезофильном режиме сбраживания сохраняется высокий аминокислотный состав биоудобрений, но обеззараживание сырья не такое полное, как при термофильном режиме.

Доступность питательных веществ

Для роста и  жизнедеятельности метановых бактерий (с помощью которых производится биогаз) необходимо наличие в сырье органических и минеральных питательных веществ. В дополнение к углероду и водороду создание биоудобрений требует достаточного количество азота, серы, фосфора, калия, кальция и магния и некоторого количества микроэлементов - железа, марганца, молибдена, цинка, кобальта, селена, вольфрама, никеля и других. Обычное органическое сырье - навоз животных - содержит достаточное количество вышеупомянутых элементов.

Время сбраживания

Оптимальное время  сбраживания зависит от дозы загрузки реактора и температуры процесса сбраживания. Если время сбраживания  выбрано слишком коротким, то при  выгрузке сброженной биомассы бактерии из реактора вымываются быстрее, чем могут размножаться, и процесс ферментации практически останавливается. Слишком продолжительное выдерживание сырья в реакторе не отвечает задачам получения наибольшего количества биогаза и биоудобрений за определенный промежуток времени.  
 
При определении оптимальной продолжительности сбраживания пользуются термином "время оборота реактора". Время оборота реактора - это то время, в течение которого свежее сырье, загруженное в реактор, перерабатывается, и его выгружают из реактора.  
 
Для систем с непрерывной загрузкой среднее время сбраживания определяется отношением объема реактора к ежедневному объему загружаемого сырья. На практике время оборота реактора выбирают в зависимости от температуры сбраживания и состава сырья в следующих интервалах:  
 
•     психофильный температурный режим: от 30 до 40 и более суток;  
•     мезофильный температурный режим: от 10 до 20 суток;  
•     термофильный температурный режим: от 5 до 10 суток.  
 
Суточная доза загрузки сырья определяется временем оборота реактора и увеличивается (как и выход биогаза) с увеличением температуры в реакторе. Если время оборота реактора составляет 10 суток: то суточная доля загрузки будет составлять 1/10 от общего объема загружаемого сырья. Если время оборота реактора составляет 20 суток, то суточная доля загрузки будет составлять 1/20 от общего объема загружаемого сырья. Для установок, работающих в термофильном режиме, доля загрузки может составить до 1/5 от общего объема загрузки реактора.  
 
Выбор времени сбраживания зависит также и от типа перерабатываемого сырья. Для следующих видов сырья, перерабатываемого в условиях мезофильного температурного режима, время, за которое выделяется наибольшая часть биогаза, равно примерно:  
 
•     жидкий навоз КРС: 10 -15 дней;  
•     жидкий свиной навоз: 9 -12 дней;  
•     жидкий куриный помет: 10-15 дней;  
•     навоз, смешанный с растительными отходами: 40-80 дней.

Кислотно-щелочной баланс

Метанопродуцирующие бактерии лучше всего приспособлены для существования в нейтральных или слегка щелочных условиях. В процессе метанового брожения второй этап производства биогаза является фазой активного действия кислотных бактерий. В это время уровень рН снижается, то есть среда становится более кислой.  
 
Однако при нормальном ходе процесса жизнедеятельность разных групп бактерий в реакторе проходит одинаково эффективно и кислоты перерабатываются метановыми бактериями. Оптимальное значение pH колеблется в зависимости от сырья от 6,5 да 8,5.  
 
Измерить уровень кислотно-щелочного баланса можно с помощью лакмусовой бумаги. Значения кислотно-щелочного баланса будут соответствовать цвету: приобретаемому бумагой при её погружении в сбраживаемое сырье.

Содержание  углерода и азота

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на метановое  брожение (выделение биогаза), является соотношение углерода и азота в перерабатываемом сырье. Если соотношение C/N чрезмерно велико, то недостаток азота будет служить фактором, ограничивающим процесс метанового брожения. Если же это соотношение слишком мало, то образуется такое большое количество аммиака, что он становится токсичным для бактерий.  
 
Микроорганизмы нуждаются как в азоте, так и в углероде для ассимиляции в их клеточную структуру. Различные эксперименты показали: выход биогаза наибольший при уровне соотношения углерода и азота от 10 до 20, где оптимум колеблется в зависимости от типа сырья. Для достижения высокой продукции биогаза практикуется смешивание сырья для достижения оптимального соотношения C/N. 

Содержание  азота и соотношение содержания углерода и азота для органических веществ

Выбор влажности сырья

Беспрепятственный обмен веществ в сырье является предпосылкой для высокой активности бактерий. Это возможно только в  том случае, когда вязкость сырья  допускает свободное движение бактерий и газовых пузырьков между  жидкостью и содержащимися в  ней твердыми веществами. В отходах  сельскохозяйственного производства имеются разные твердые частицы.  
 
Твердые частицы, например, песок, глина и др. обуславливают образование осадка. Более легкие материалы поднимаются на поверхность сырья и образуют корку. Это приводит к уменьшению ообразования биогаза. Поэтому рекомендуется тщательно измельчать перед загрузкой в реактор растительные остатки - солому: и др. , и стремиться к отсутствию твердых веществ в сырье.  
 
Содержание сухих веществ определяется влажностью навоза. При влажности 70% в сырье содержится 30% сухих веществ. Примерные значения влажности навоза и экскрементов (навоз и моча) для различных видов животных приводятся в таблице ниже. 

Количество  и влажность навоза и экскрементов на одно животное

 
Влажность сырья, загружаемого в реактор  установки, должна быть не менее 85% в  зимнее время и 92% в летнее время  года. Для достижения правильной влажности  сырья навоз обычно разбавляют горячей  водой в количестве, определяемом по формуле: OB = Нx((В₂- В₁):(100 - В₂)), где Н-количество загружаемого навоза. В₁ - первоначальная влажность навоза, В₂ - необходимая влажность сырья, ОВ - количество воды в литрах. В таблице приводится необходимое количество воды для разбавления 100 кг навоза до 85% и 92% влажности.

Количество  воды для достижения необходимой  влажности на 100 кг навоза

Регулярное  перемешивание

Для эффективной  работы биогазовой установки и поддерживания стабильности процесса сбраживания сырья внутри реактора необходимо периодическое перемешивание. Главными целями перемешивания являются:  
 
•     высвобождение произведенного биогаза;  
•     перемешивание свежего субстрата и популяции бактерий (прививка):  
•     предотвращение формирования корки и осадка;  
•     предотвращение участков разной температуры внутри реактора;  
•     обеспечение равномерного распределения популяции бактерий:  
•     предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь реактора.  
 
При выборе подходящего способа и метода перемешивания нужно учитывать, что процесс сбраживания представляет собой симбиоз между различными штаммами бактерий, то есть бактерии одного вида могут питать другой вид. Когда сообщество разбивается, процесс ферментации будет непродуктивным до того, как образуется новое сообщество бактерий. Поэтому слишком частое или продолжительное и интенсивное перемешивание вредно. Рекомендуется медленно перемешивать сырье через каждые 4-6 часов.

Ингибиторы  процесса

Сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов, они замедляют а иногда и прекращают процесс выделения биогаза. Не способствуют "работе" микроорганизмов и некоторые неорганические вещества, поэтому нельзя, например, использовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стирки белья синтетическими моющими средствами.  
 
 
На каждый из различных типов бактерий, участвующих в трех стадиях метанообразования, эти параметры влияют по-разному. Существует также тесная взаимозависимость между параметрами (например, выбор времени сбраживания зависит от температурного режима), поэтому сложно определить точное влияние каждого фактора на количество образующегося биогаза.