Катализаторы. Биогаз

   После утилизации содержание питательных  веществ в полученном удобрении  увеличивается на 15% по сравнению  с обычным навозом. При этом в  новом удобрении уничтожены гельминты  и болезнетворные бактерии, семена сорных трав. Такой навоз применяется без традиционных выдержек и хранения. При утилизации получается также жидкий экстракт, который предназначается для полива кормовых трав, овощей и т.п. Сухое удобрение используется по прямому назначению, при этом урожайность люцерны повышается на 50%, кукурузы на 12, овощей на 20-30%.

   Из  навоза одной коровы можно получить в сутки до 4,2 м3 биогаза. Энергия, заключенная в одном м3 биогаза, эквивалентна энергии 0,6 м3 природного горючего газа, 0,74 л нефти, 0,65 л дизельного топлива, 0,48 л бензина и т.п. При применении биогаза экономятся также мазут, уголь, электроэнергия и другие энергоносители. Внедрение биогазовых установок улучшает экологическую обстановку на животноводческих фермах, птицефабриках и на прилегающих территориях, предотвращаются вредные воздействия на окружающую среду.

   По  некоторым данным вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет около 12%, хотя значительная доля биомассы, используемой для энергетических нужд, не является коммерческим продуктом  и, как результат, не учитывается официальной статистикой. В странах Европейского Союза, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, но с широкими вариациями: в Австрии - 12%, в Швеции - 18%, в Финляндии - 23%.

   Первичной биомассой являются растения, произрастающие на суше и в воде. Биомасса образуется в результате фотосинтеза, за счет которого солнечная энергия аккумулируется в растущей массе растений. Энергетический кпд собственно фотосинтеза составляет около 5%. В зависимости от рода растений и климатической зоны произрастания это приводит к различной продуктивности в расчете на единицу площади, занятой растениями.

   Для энергетических целей первичная  биомасса используется в основном как  топливо, замещающее традиционное ископаемое топливо. Причем речь, как правило, идет об отходах лесной и деревоперерабатывающей промышленности, а также об отходах полеводства (солома, сено). Теплотворность сухой древесины достаточно высока, составляя в среднем 20 ГДж/т. Несколько ниже теплотворность соломы, например, для пшеничной соломы она составляет около 17,4 ГДж/т.

   В то же время большое значение имеет  удельный объем топлива, который  определяет размеры соответствующего оборудования и технологию сжигания. В этом отношении древесина значительно  уступает, например, углю. Для угля удельный объем составляет около 30 дм3 /ГДж, тогда как для щепы, в зависимости от породы дерева, этот показатель лежит в пределах 250 – 350 дм3 /ГДж; для соломы удельный объем еще больше, достигая 1м3 /ГДж. Поэтому сжигание биомассы требует либо ее предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств.

   В частности, в ряде стран распространение  получил способ уплотнения древесных  отходов с превращением их в брикеты  или, так называемые, плетки. Оба  способа позволяют получить топливо  с удельным объемом около 50 дм3/ГДж, что вполне приемлемо для обычного слоевого сжигания. Например, в США годовое производство плеток составляет около 0,7 млн. т, а их рыночная цена - около 6 долл./ГДж при теплотворности около 17 ГДж/т.

   В виде топлива может использоваться широкий спектр биомассы. Древесина и сухой навоз являются традиционными сельскими видами топлива и продолжают в большом объеме использоваться во многих регионах мира. Основные виды перечислены в таблице вместе с техникой их использования.

   Сжигание биомассы является нейтральным процессом с точки зрения выделения углекислого газа. Растения потребляют углекислый газ в цикле фотосинтеза. Затем он выделяется при горении вещества. Следовательно, выращенный лес и энергетические культуры являются энергетическим ресурсом, который не приводит к концентрации углекислого газа в атмосфере.

   В Узбекистане большие площади  занимают посевы хлопчатника, кенафа, табака, подсолнечника. И если стебли хлопчатника до сих пор частично использовались как сырье для  производства спирта, бумаги, то стебли остальных растений, как правило, просто сжигались. А ведь по природному происхождению и химическому составу они близки к древесине! И это при том, что лесных насаждений в стране очень мало. Ученые Узбекистана разработали технологию получения из этих отходов растениеводства экологически чистых строительных материалов, обладающих хорошими теплоизоляционными свойствами и достаточно высоким сопротивлением к разрыву, что немаловажно для этого сейсмически активного региона.

   Биомасса - термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную - отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных. В свою очередь отходы также делятся на первичные - отходы при переработке первичной биомассы (солома, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и т.д.) и вторичные - продукты физиологического обмена животных и человека.

   Технология  получения биогаза

   В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных (без доступа воздуха) условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий. Эти процессы сопровождаются минерализацией азотсодержащих, фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Процесс образования биогаза и удобрений осуществляется специальных биореакторах-метантенках.

   Один  микробиологический способ обезвреживания навоза, да и любых других органических остатков, известен давно - это компостирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются. При этом куча разогревается примерно до 60°С и происходит естественная пастеризация - погибает большинство патогенных микробов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть.

   Но  качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в  нем азота и немало фосфора. Пропадает  и энергия, потому что впустую  рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, - а в навозе, между прочим, заключена почти половина всей энергии, поступающей на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования просто не годятся: слишком они жидкие.

   Но  возможен и другой путь переработки  органического вещества - сбраживание  без доступа воздуха, или анаэробная ферментация. Именно такой процесс происходит в природном биологическом реакторе, заключенном в брюхе каждой буренки, пасущейся на лугу. Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соединения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соединения служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы - углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть - 100-200 млн. тонн в год! - имеет такое "животное" происхождение.

   Метанобразующие бактерии - во многом весьма замечательные  создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и коферменты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая - их считают продуктом особой ветви эволюции.

   Примерно  такое сообщество микроорганизмов  и приспособили латвийские микробиологи для решения задачи - переработки отходов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компостировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятельности - биогаз, в котором 60-70 % метана,- есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров.

   Во  всех прочих отношениях анаэробная ферментация  ничуть не хуже компостирования. А самое важное - что таким способом прекрасно перерабатывается навоз с ферм. В процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органических отходов образуются экологически чистые, жидкие, высокоэффективные органические удобрения. Эти удобрения содержат минерализованный азот в виде солей аммония (наиболее легко усвояемая форма азота), минерализованные фосфор, калий и другие, необходимые для растения биогенные макро- и микроэлементы, биологически активные вещества, витамины, аминокислоты, гуминоподобные соединения, структурирующие почву.

   Получаемый  биогаз плотностью 1,2 кг/ м3 (0,93 плотности  воздуха) имеет следующий состав (%): метан - 65, углекислый газ - 34, сопутствующие  газы - до 1 (в том числе сероводород - до 0,1). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и технологии в пределах 55-75 %. Содержание воды в биогазе при 40°С - 50 г/м3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.).

   Энергоемкость получаемого газа - 23 мДж/ м3 , или 5500 ккал/ м3 .

   Энергия, запасенная в первичной и вторичной  биомассе может конвертироваться в  технически удобные виды топлива  или энергии несколькими путями.

   Получение растительных углеводородов (растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т.д.).

   Термохимическая конверсия биомассы (твердой, до 60%) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз.

   Биотехнологическая  конверсия биомассы (при влажности  от 75 % и выше) в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.

   Биологическая конверсия биомассы в топливо  и энергию развивается по двум основным направлениям:

   - ферментация с получением этанола, низших жирных кислот, углеводородов, липидов - это направление давно и успешно используется на практике;

    - получение биогаза.

   В настоящее время получение биогаза  связано, прежде всего с переработкой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и осадков.  

   Экологическая характеристика использования  биоэнергетических  установок

   Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными  электростанциями и другими НВИЭ являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Так, например, анаэробная ферментация – эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твердые органические вещества теряют запах и становятся менее привлекательными для грызунов и насекомых (в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы). Кроме того, образуются дополнительный корм для скота (протеин) и удобрения.

   Городские стоки и твердые отходы, отходы при рубках леса и деревообрабатывающей промышленности, представляя собой  возможные источники сильного загрязнения  природной среды, являются в то же время сырьем для получения энергии, удобрений, ценных химических веществ. Поэтому широкое развитие биоэнергетики эффективно в экологическом отношении. Однако неблагоприятные воздействия на объекты природной среды при энергетическом использовании биомассы имеют место. Прямое сжигание древесины дает большое количество твердых частиц, органических компонентов, окиси углерода и других газов. По концентрации некоторых загрязнителей они превосходят продукты сгорания нефти и ее производных. Другим экологическим последствием сжигания древесины являются значительные тепловые потери.

   По  сравнению с древесиной биогаз –  более чистое топливо, непроизводящее вредных газов и частиц. Вместе с тем необходимы меры предосторожности при производстве и потреблении  биогаза, так как метан взрывоопасен. Поэтому при его хранении, транспортировке и использовании следует осуществлять регулярный контроль для обнаружения и ликвидации утечек.

   При ферментационных процессах по переработке  биомассы в этанол образуется большое  количество побочных продуктов (промывочные  воды и остатки перегонки), являющихся серьезным источником загрязнения среды, поскольку их вес в несколько раз (до 10) превышает вес этилового спирта.