Производство биогаза

  Федеральное государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

  « Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии  имени К.И. Скрябина» 
 
 

  Кафедра Биотехнологии 

  Реферат на тему:

  Производство  биогаза. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка ФЗТА

5 курса 5 группы

Бирюкова  Г.А. 

  Москва 2007 год. 
 

Оглавление: 

1. ВВЕДЕНИЕ          3стр.
2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОИЗВОДСТВО БИОГАЗА   4стр.
3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА     4стр.
4. ВИТАМИНЫ-МИНЕРАЛЫ       7стр.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ         8стр.
6. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ     9стр.

   ВВЕДЕНИЕ 

   Метановое «брожение», или биометаногенез, - давно  известный процесс превращения  биомассы в энергию. Он был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил  наличие метана в болотном газе. Биогаз, получающийся в ходе этого процесса, представляет собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода (Н2S) и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и закиси углерода. Болотный газ дает пламя синего цвета и не имеет запаха. Его бездымное горение причиняет гораздо меньше неудобств людям по сравнению со сгоранием дров, навоза жвачных животных или кухонных отбросов. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива.

   Биометаногенез  осуществляется в три этапа: растворение  и гидролиз органических соединений, ацидогенез и метаногенез. В энергоконверсию  вовлекается только половина органического  материала—1800 ккал/кг сухого вещества по сравнению с 4000 ккал при термохимических процессах, но остатки, или шлаки, метанового «брожения» используются в сельском хозяйстве как удобрения. В процессе биометаногенеза участвуют три группы бактерий. Первые превращают сложные органические субстраты в масляную, пропионовую и молочную кислоты; вторые превращают эти органические кислоты в уксусную кислоту, водород и углекислый газ, а затем метанообразующие бактерии восстанавливают углекислый газ в метан с поглощением водорода, который в противном случае может ингибировать уксуснокислые бактерии. В 1967 г. Брайант и др. установили, что уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, который ранее считался одним микробом и назывался Methanobacillus omelianskii.

   Для всех метанобактерий характерна способность к росту в присутствии водорода и углекислого газа, а также высокая чувствительность к кислороду и ингибиторам производства метана. В природных условиях метанобактерии тесно связаны с водородобразующими бактериями: эта трофическая ассоциация выгодна для обоих типов бактерий. Первые используют газообразный водород, продуцируемый последними; в результате его концентрация снижается и становится безопасной для водородобразующих бактерий.

     Отходы пищевой промышленности  и сельскохозяйственного производства характеризуются высоким содержанием углерода (в случае перегонки свеклы на 1 л отходов приходится до 50 г углерода), поэтому они лучше всего подходят для метанового «брожения», тем более, что некоторые из них получаются при температуре, наиболее благоприятной для этого процесса. Желательно перемешивать суспензию сбраживаемых веществ, чтобы воспрепятствовать расслаиванию, которое подавляет брожение. Твердый материал необходимо раздробить, так как наличие крупных комков препятствует образованию метана. Обычно длительность переработки навоза крупного рогатого скота составляет две—четыре недели. Двухнедельной переработки при температуре 35° С достаточно, чтобы убить все патогенные энтеробактерии и энтеровирусы, а также 90% популяции Ascaris lumbricoides и Ancylostoma.

   Биогаз - это газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной  ферментации органических веществ самого разного происхождения, при температуре 30-370С. В этих условиях под действием имеющихся в биомассе бактерий часть органических веществ разлагается с образованием метана (60-70%), углекислого газа (30-40%), небольшого количества сероводорода (0-3%), а также примесей водорода (аммиака и окислов азота). Биогаз не имеет неприятного запаха. Теплота сгорания 1 м³ газа достигает 25 МДж, что эквивалентно сгоранию 0,6 л бензина, 0,85 л спирта, 1,7 кг дров или использованию 1,4 кВт/ электроэнергии.

   В среднем 1 кг органического вещества, биологически разложимого на 70%, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.

   ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОИЗВОДСТВО БИОГАЗА

   Поскольку разложение органических отходов происходит за счет деятельности определенных типов  бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды, позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до –20^о С.

   Существуют  определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90-94 %). Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий: например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков.

   Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п. В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на 3 фракции. Верхняя – корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментатора скапливается жидкость, а нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок.

   Бактерии  наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать – хотя бы один раз в сутки, а желательно – до шести раз. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных методов самоперемешивания.

   УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

   В Румынии генераторы биогаза получили широкое распространение. Одна из первых индивидуальных установок была введена в эксплуатацию еще в декабре 1982 года. С тех пор она успешно обеспечивает газом 3 соседствующие семьи, имеющие каждая по обычной газовой плите с тремя конфорками и духовкой.

   Ферментатор находится в яме диаметром  около 4 м и глубиной 2 м (объем  примерно 25 м³), выложенной изнутри кровельным железом, сваренным дважды: сначала электрической сваркой, а затем, для надежности, газовой. Для антикоррозионной защиты внутренняя поверхность резервуара покрыта смолой. Снаружи верхней кромки ферментатора сделана кольцевая канавка из бетона глубиной примерно 1 м, выполняющая функцию гидрозатвора; в этой канавке, заполненной водой, скользит вертикальная часть колокола, закрывающего резервуар. Колокол высотой около 2,5 м – из листовой двухмиллиметровой стали. В верхней его части и собирается газ.

   Автор этого проекта выбрал вариант  собирания газа в отличие от других установок с помощью трубы, находящейся  внутри ферментатора и имеющей 3 подземных  ответвления – к трем хозяйствам. Кроме того, вода в канавке гидрозатвора проточная, что предотвращает обледенение в зимнее время.

   Ферментатор загружается примерно 12 м³ свежего навоза, поверх которого выливается коровья моча (без добавления воды). Генератор начинает работать через 7 дней после наполнения.

   Похожую компоновку имеет еще одна установка. Ее ферментатор сделан в яме, имеющей квадратное поперечное сечение размерами 2х2 м. Яма облицована железобетонными плитами толщиной 10-12 см, оштукатурена цементом и покрыта для герметичности смолой. Канавка гидрозатвора глубиной около 50 см также бетонная, колокол сварен из кровельного железа и может на четырех «ушках» свободно скользить по четырем вертикальным направляющим, установленным на бетонном резервуаре. Высота колокола примерно 3 м, из которых 0,5 м погружено в канавку.

   При первом наполнении в ферментатор было загружено 8 м² свежего коровьего навоза, а сверху залито примерно 400 л коровьей мочи. Через 7-8 дней установка уже полностью обеспечивала владельцев газом.

   Аналогичную конструкцию имеет и генератор  биогаза, рассчитанный на прием 6 м³ смешанного навоза (от коров, овец и свиней). Этого оказалось достаточно, чтобы обеспечить нормальную работу газовой плиты с тремя конфорками и духовкой.

   Еще одна установка отличается любопытной конструктивной деталью: рядом с  ферментатором уложены присоединенные к нему с помощью Т-образного шланга три большие тракторные камеры, соединенные и между собой. В ночное время, когда биогаз не используется и накапливается под колоколом, возникает опасность, что последний под действием избыточного давления опрокинется. Резиновый резервуар служит дополнительной емкостью (рис. 2). Ферментатора размером 2х2х1,5 м вполне достаточно для работы двух горелок, а при увеличении полезного объема установки до 1 м³ можно получить количество биогаза достаточное и для обогрева жилища. Особенность этого варианта установки – устройство колокола Æ 138 см и высотой 150 см из прорезиненного полотна, применяемого для изготовления надувных лодок. Ферментатор представляет собой металлический резервуар Æ 140х300 см и имеет объем 4,7 м³. Колокол вводится в находящийся в ферментаторе навоз на глубину не менее 30 см для обеспечения гидравлического заслона выходу биогаза в атмосферу. В верхней части разбухающего резервуара предусмотрен кран, соединенный со шлангом; по нему газ поступает к газовой плите с тремя конфорками и колонке для нагрева воды. Чтобы обеспечить оптимальные условия для работы ферментатора, навоз смешивается с горячей водой. Наилучшие результаты установка показала при влажности сырья 90 % и температуре 30-35^о.

   Для обогрева ферментатора используется и эффект теплицы. Над емкостью сооружается металлический каркас, который покрывают полиэтиленовой пленкой: при неблагоприятных погодных условиях она сохраняет тепло и позволяет заметно ускорить процесс разложения сырья.

   Как уже отмечалось, решающую роль в развитии процесса ферментации играет температура: нагрев сырья с 15^о до 20^о может вдвое увеличить производство энергоносителя. Поэтому часть генераторов имеет специальную систему подогрева сырья, однако большинство установок не оборудовано ею; они используют лишь тепло, выделяемое в процессе самого разложения органических веществ. Одним из важнейших условий нормальной работы ферментатора является наличие надежной теплоизоляции. Кроме того, необходимо свести к минимуму потери тепла при очистке и наполнении бункера ферментатора.

   Нужно помнить также о необходимости  обеспечения биохимического равновесия. Иногда темпы производства бактериями кислот выше, чем темпы их потребления бактериями второй группы. В этом случае кислотность массы растет, а выработка биогаза снижается. Положение может быть исправлено либо уменьшением ежедневной порции сырья, либо увеличением его растворимости (по возможности, горячей водой), либо, наконец, добавкой нейтрализующего вещества – например, известкового молока, стиральной или питьевой соды.

   Производство  биогаза может уменьшиться за счет нарушения соотношения между  углеродом и азотом. В этом случае в ферментатор вводят вещества, содержащие азот, - мочу или в небольшом количестве соли аммония, используемые обычно в качестве химических удобрений (50-100 г на 1 м³ сырья).

   Следует помнить, что высокая влажность  и наличие сероводорода (содержание которого в биогазе может достигать 0,5 %) стимулируют повышенную коррозию металлических частей установки. Поэтому состояние всех остальных элементов ферментатора следует регулярно контролировать и в местах повреждений тщательно защищать: лучше всего свинцовым суриком – в один или два слоя, а затем еще двумя слоями любой масляной краски.

   В качестве трубопровода для транспортировки  биогаза от выпускного патрубка в  верхней части колокола установки  до потребителя могут использоваться как трубы (металлические или  пластмассовые), так и резиновые  шланги. Их желательно вести в глубокой траншее, чтобы исключить разрывы из-за замерзания зимой конденсировавшейся воды. Если же транспортировка газа с помощью шланга осуществляется по воздуху, то для отвода конденсата необходимо специальное устройство. Самая простая схема такого приспособления представляет собой U-образную трубку, присоединенную к шлангу в самой нижней его точке. Длина свободной ветви трубки должна быть больше, чем выраженное в миллиметрах водяного столба давление биогаза. По мере того, как в трубку стекает конденсат из трубопровода, вода выливается через ее свободный конец без утечки газа.

   В верхней части колокола целесообразно  также предусмотреть патрубок для  установки манометра, чтобы по величине давления судить о количестве накопленного биогаза.

   Опыт  эксплуатации установок показал, что использование в качестве сырья смеси разных органических веществ дает больше биогаза, чем при загрузке ферментатора одним из компонентов. Влажность сырья рекомендуется немного уменьшать зимой (до 88-90%) и повышать летом (до 92-94 %). Вода, которую используют для разбавления, должна быть теплой (желательно 35-40^о). Сырье подается порциями, по крайней мере, один раз в сутки. После первой загрузки ферментатора нередко сначала вырабатывается биогаз, который содержит более 60% углекислого газа и поэтому не горит. Этот газ удаляют в атмосферу, и через 1-3 дня установка начнет функционировать нормально.

   Переработка органических отходов сельского  хозяйства в биогазовых установках имеет два «экологических плюса». Во-первых, катастрофа глобального потепления отодвигается на более поздние сроки, так как при разложении органических компонентов навоза выделяются углекислый газ и газ метан, которые являются причиной парникового эффекта. Во-вторых, уменьшается загрязнение подземных вод и поверхностных водоемов аммонийными соединениями. После того, как бактерии из навозной жижи в биогазовой установке извлекли все необходимое для производства метана, экс-навоз можно сливать в водоемы – его состав полностью отвечает самым жестким в мире стандартам для сточных вод.

   Метан можно использовать для нужд крестьянских и фермерских хозяйств:

• для приготовления пищи;
• для подогрева воды;
• для отопления жилищ.

   Производительность  биогазовой установки зависит не только от вида отходов, но и от объема перерабатываемой массы. Наиболее выгодны установки большого объема. Но для домашнего хозяйства достаточно установки с объемом реактора в 4 кубических метра.

   Сколько же можно получить газа из одного килограмма навоза? Исходя из того, что на кипячение  одного литра воды расходуется 26 литров газа:

• с помощью одного килограмма навоза крупного рогатого скота можно вскипятить 7,5-15 литров воды;
• с помощью одного килограмма навоза свиней – 19 литров воды;
• с помощью одного килограмма птичьего помета – 11,5-23 литра воды;
• с помощью одного килограмма соломы зернобобовых можно вскипятить 11,5 литров воды;
• с помощью одного килограмма картофельной ботвы – 17 литров воды;
• с помощью одного килограмма ботвы томатов – 27 литров воды.

   Неоспоримое преимущество биогаза – в децентрализованном производстве электроэнергии и тепла.

   ВИТАМИНЫ-МИНЕРАЛЫ

   Процесс биоконверсии кроме энергетической позволяет решить еще две задачи. Во-первых, сброженный навоз по сравнению  с обычным повышает на 10-20% урожайность  сельскохозяйственных культур. Объясняется это тем, что при анаэробной переработке происходит минерализация и связывание азота. При традиционных же способах приготовления органических удобрений (компостированием) потери азота составляют до 30-40%. Анаэробная переработка навоза в четыре раза - по сравнению с несброженным навозом - увеличивает содержание аммонийного азота (20-40% азота переходит в аммонийную форму). Содержание усвояемого фосфора удваивается и составляет 50% общего фосфора.

   Кроме того, во время сбраживания полностью  гибнут семена сорняков, которые всегда содержатся в навозе, уничтожаются микробные ассоциации, яйца гельминтов, нейтрализуется неприятный запах, т.е. достигается актуальный на сегодня экологический эффект.

   Основой любой биогазовой установки является метантенк (реактор). В реакторе устанавливаются системы термостатирования, отбора биогаза, перемешивания. Объемы метантенков могут варьировать в больших пределах - от 3 м^З до 5 тыс. м^З. Они делятся на метантенки разовой загрузки и непрерывной. В первых весь объем реактора загружается за один раз, и сбраживание осуществляется в течение 3-4 месяцев. После завершения процесса метантенк опорожняется и загружается следующей порцией сырья. В реакторе с непрерывной загрузкой сырье для сбраживания подается порциями, выдавливая при этом эквивалентное количество сброженного сырья. 
 
 
 
 

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

   Сегодня в Европе сосредоточено 44% мирового количества установок анаэробного  сбраживания, в Северной Америке - 14%. Работающие в странах ЕС промышленные биогазовые установки по признаку происхождения используемых отходов можно разделить на несколько групп. Основными являются следующие три: агропищевая группа (67,5%), группа непищевой промышленности (15%) и непромышленная группа (9,6%).

   Ежегодно  в российском животноводстве и птицеводстве образуется около 150 млн. т органических отходов. До недавнего времени эти цифры характеризовали исключительно остроту экологических проблем. По данным природоохранных служб, только в водоемы, питающие столицу, могут попадать миллионы тонн токсичных стоков. В итоге, чтобы сделать московскую воду питьевой, необходимо дорогостоящее и тоже небезвредное химическое вмешательство. Вокруг других крупных и средних городов России ситуация вряд ли намного лучше.

   Еще в начале 90-х годов было подсчитано, что использование биогазовых технологий для переработки органики может не только полностью устранить ее экологическую опасность, но и ежегодно получить дополнительные 95 млн. т условного топлива (около 60 млрд. м³ метана или, сжигая биогаз, - 190 млрд. кВт.ч электроэнергии), а также более 140 млн. т высокоэффективных удобрений, что позволило бы существенно сократить чрезвычайно энергоемкое производство минеральных удобрений (около 30% от всей электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством).

   Еще более замечателен второй продукт биоустановки - жидкие органические удобрения. Технологический режим подобран так, что они получаются экологически абсолютно чистыми - без малейших следов нитритов и нитратов, болезнетворной микрофлоры и даже семян сорняков (по сравнению с обычным навозом). А в эффективность этих удобрений (1 т эквивалентна 60 т навоза, не считая указанных преимуществ), показанную в трехгодичных испытаниях на самых разных культурах (помидоры, огурцы, клубника, морковь, смородина, крыжовник и т.д.), поначалу трудно было поверить. В сравнении с обычными они увеличивают урожайность минимум в 2-4 раза. Научное объяснение этому было дано только в прошлом году. В одном из докладов на Международном симпозиуме в Санкт-Петербурге была высказана мысль о том, что в реакторе установки при определенных условиях могут синтезироваться так называемые ауксины - вещества, способствующие ускоренному развитию и росту растений. Дальнейшие исследования этого механизма, как полагают ученые, откроют возможности для заранее программируемого получения сверхэффективных удобрений. Но пока необъясненным остается еще одни приятный факт: в биогазе неизвестно куда (к счастью!) исчезает сероводород - непременный спутник разложения органики и сильнейший ускоритель коррозии металлических конструкций. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Биогаз: и греет,  и варит. Журнал «Моделист-конструктор», 1987, № 1, с. 10-11.

2. Выбирая будущее.  Новые методики экологического  образования. Изд. ЭкоОбраз. Караганда, 2001 г.

3. Сабитов Р.  Отчет по проекту «Оценка потребностей местных сообществ» в Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды. Август, 2001 г.

4. Тодорова Н.  “Энергия... из мусорной кучи?”  Газета «Казахстанская правда»  № 192 от 16 августа 2001 г.

5. Тонкобаева  Л. В этом доме – биогаз. Молодежный эколого-правовой журнал «Я и Земля», № 7(17), ноябрь, 2001 г., с. 4-5.

Светлана Баскакова  – член НПО "Дикая природа",

Леонид Плохотников  – энергетик, член ОО "Надежда", специально для «Спектра Развития»

6. Энергетика и промышленность России № 4 (32) апрель 2003 года.

Н.Г. Кириллов, федеральный  эксперт научно-технической сферы, к.т.н., с.н.с., Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского