СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1 Характеристика готового продукта 6

2 Описание технологической схемы производства 7

     2.1 Особенности технологии 8

        2.1.1 Загрузка рабочего пространства 8

        2.1.2 Технологическое время брожения 9

        2.1.3 Интенсивность перемешивания 10

     2.2 Типы биогазовых установок 10

        2.2.1 Биогазовая установка с ручной загрузкой и перемешиванием сырья 10

        2.2.2 Биогазовая установка с ручной загрузкой, перемешиванием и подогревом сырья в реакторе 11

        2.2.3 Биогазовая установка с ручной загрузкой, газгольдером, пневматическим перемешиванием сырья, с подогревом сырья в реакторе 12

        2.2.4 Биогазовая установка с газгольдером, ручной подготовкой и пневматической загрузкой и перемешиванием сырья, с подогревом сырья в реакторе 13

        2.2.5 Биогазовая установка с газгольдером, механической подготовкой, пневматической загрузкой и перемешиванием сырья, с подогревом сырья в реакторе 14

3 Биометаногенез 16

     3.1 Основные стадии 17

     3.2 Характеристика микроорганизмов 18

        3.2.1 Ферментативные бактерии 18

        3.2.2 Ацетогенные бактерии 19

        3.2.3 Метаногенные бактерии 21

4 Кинетика накопления биогаза 31

5 Факторы, влияющие на процесс брожения 33

     5.1 Температура 33

     5.2 Содержание кислот, рН, буферные свойства 34

     5.3 Ингибиторы 34

     5.4 Питательная среда 35

     5.5 Состав газа 35

     5.6 Состав исходного материала 35

     5.7 Размеры твердых частиц 37

6 Побочные продукты брожения 39

     6.1 Состав удобрения 39

     6.2 Загрязнение окружающей среды 39

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41

Список использованных источников 42

 

Введение

     Биогаз  – это газ, получаемый с помощью  анаэробного метанового брожения биомассы. В состав биогаза входят 55–65% метана, 35–45% двуокиси углерода, по 1% водорода и сероводорода, незначительные примеси  азота, аммиака, ароматических и  галогено-ароматических углеводородов.

     Основным  источником биогаза являются органические отходы: навоз, фекалии, твердые бытовые  отходы (ТБО), солома и т.д.

     Как источник энергии биогаз получают в  специальных установках – метантанках (иногда говорят «тенк», используется и термин «метатанк»), или анаэробных колоннах. Их оборудуют на фермах, полигонах  ТБО или в виде малых (односемейных) биогазовых установок. Строятся и более  крупные заводы. Используют биогаз в качестве топлива для производства тепла или пара, электроэнергии или  в качестве моторного топлива. Применение биогаза особенно эффективно в масштабах  крупных агропромышленных комплексов, где достигается полный экологический  цикл.

     Производство  биогаза экономически выгодно и  экологически целесообразно, особенно при переработке постоянного  потока отходов – стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов. В связи с этим оно получило широкое распространение в странах  Европы (Германия, Дания, Швейцария), США  и Азии (Китай, Индия, Вьетнам).

     Проблема  биогаза в России имеет относительно давнюю историю по сравнению с другими видами биотоплива – биодизелем и биоэтанолом. В 80-е годы на пике роста отечественной биотехнологии были приняты Постановления Правительства СССР о производстве биогаза из органических сельскохозяйственных отходов, стоков и твердых бытовых отходов. Разрабатывались вопросы теории, предпринимались практические шаги, но дальше опытных образцов дело не продвинулось: биогаз был в 5 раз дороже природного и синтетического. Пионером в разработке биогазовых установок был Запорожский конструкторско-технологический институт сельскохозяйственного машиностроения. Однако послеперестроечный период практически полностью привел к прекращению работ в этом направлении. Лишь в последнее время, когда мировой прогресс в данной области стал слишком очевиден и экономически и экологически успешен, в нашей стране начали уделять внимание этому вопросу.

     Есть  сведения, что в РФ работают 20 установок для получения биогаза на небольших фермах (до 30 голов крупного рогатого скота). Еще как пример приводят метантенк объемом 65 м³, установленный в 2002 г. в агрохозяйстве Луховицкого района Московской области. Действуют и индивидуальные биогазовые установки на 50–200 кг органических отходов в день, позволяющие получать 2,5–12 м³ биогаза. Проявляют себя бизнес-структуры, предлагая на рынок небольшие биореакторы на 10–15 голов крупного рогатого скота (типа комплекса БУГ-1) [1].

     По  данным 90-х годов, в российском животноводстве и птицеводстве образовывалось около 150 млн. тонн органических отходов. Были проведены расчеты, согласно которым  можно получить из них около 60 млрд. м³ метана, при сжигании которого может быть выработано 190 млрд. кВтч электроэнергии. Кроме того, при этом вырабатывается 140 млн. тонн удобрений, отличающихся от навоза наличием связанных азота и фосфора, дегельминтацией, деконтаминацией микробами, семенами сорняков и другими полезными свойствами.

     Есть  прогнозы, что в России имеется  потенциал для ежегодного производства биогаза в объеме 90 млрд. м³. Для этого могут послужить 300 млн. тонн органических отходов в сухом эквиваленте, из них: 250 млн. тонн – в сельскохозяйственном производстве, 50 млн. тонн – в виде бытового мусора [1].

 

1 Характеристика готового продукта

 

     К основным компонентам биогаза относятся  СН₄ и СО₂, соотношение которых зависит от исходного субстрата и характеристик процесса брожения (температуры, времени пребывания массы в реакторе, загрузки рабочего пространства). Наряду с этими важнейшими компонентами биогаз содержит незначительные количества Н₂ и H₂S, а также N₂(табл. 1). 

Таблица 1 – Состав и характеристики биогаза

       

     Приведенные в таблице 1 физические свойства биогаза  позволяют судить о возможностях его практического использования  и необходимых для этого приемах. Объемная теплота сгорания (Q_B) определяется в основном содержанием СН₄, поскольку незначительные количества Н₂ и H₂S на этот показатель практически не влияют. Соответственно температура воспламенения и предел воспламеняемости тоже зависят от содержания СН₄. При выяснении возможности сжижения газовой смеси необходимо учитывать критические значения давления и температуры отдельных ее компонентов (см. табл. 1). Эти значения показывают, что сжижение биогаза практически нецелесообразно. При использовании биогаза следует учитывать разность в плотности отдельных его компонентов. В проходных невентилируемых помещениях это может привести к опасному для жизни людей накоплению СО₂ и H₂S в нижних слоях воздуха. Кроме того, скопление СН₄ связано с опасностью взрыва [2].

     Теплотворная  способность биогаза 22–24 тыс. кДж/м³, или 5500 ккал/м³. Один кубометр биогаза равен 0,6 м³ природного газа, 0,7 л мазута, 0,4 л бензина, 3,5 кг дров [1]. 

 

2 Описание технологической схемы производства

 

     Общая схема производства биогаза приведена  на рисунке 1.

 

1 – ферма; 2 – навозоприемник; 3 – насос; 4 –  метантанк; 

5 – газгольдер; 6 – теплообменник; 7 – котел; 8 –  хранилище удобрения 

Рисунок 1 – Схема биогазовой установки 

     Вначале сырье смешивается и измельчается до получения полужидкой гомогенной массы в приемном танке. Далее  масса нагревается до 70 °C не менее 1 часа с целью уничтожения бактерий. После охлаждения сырье перекачивается в автоклав (биореактор-метантанк, ферментатор), где оно подвергается анаэробному брожению при температуре 38 °C. Процесс получения биогаза длится обычно около 1 месяца. Существуют 2 режима брожения: мезофильный – 25–38 °С– оптимум 37 °C (работают мезофильные бактерии) и термофильный – 45–60 °C – оптимум 56 °С(работают термофильные бактерии). Для интенсификации брожения добавляют катализаторы (глюкозу и целлюлозу). Рекомендуется перемешивание субстрата в ферментаторе с целью предупреждения образования в верхней части слоя всплывающего вещества и корки (это улучшает технологический процесс и соответственно снижает энергозатраты). Биогаз под собственным давлением (не более 0,5 атм.) через газовый штуцер и конденсатор (для удаления влаги) подается в газгольдер, откуда используется либо для сжигания в бытовых приборах, либо для производства электрической и тепловой энергии в когенерационной энергоустановке. Полностью автономный, энергонезависимый биореактор потребляет 10–25% вырабатываемого газа для своих нужд. Это требуется для осуществления термостатирования и перемешивания. Сброженная масса через штуцер удаления эвакуируется и накапливается в бункере-отстойнике. Твердый остаток является хорошим обеззараженным удобрением (обычно содержание азота – 3,5 кг/тонну, фосфора – 0,8 кг/тонну, калия – 1,4 кг/тонну). При оптимальном сбраживании остаток биоудобрения составляет 30% от массы исходного сырья, а остальные 70% органических веществ разлагаются [1].