Преимущества утилизации органических отходов в биогазовых установках

Утилизация органических отходов в биогазовых установках позволяет существенно увеличить рентабельность переработки органической фракции от сортировки ТКО. Это достигается за счет одновременного получения энергии (электроэнергия и тепло) от сжигания биогаза и дорогостоящей и востребованной продукции (жидких органических удобрений).

В то же время утилизация органических отходов в биогазовых установках и сама по себе представляет очень перспективное и выгодное направление их переработки.

В настоящей статье мы рассмотрим основные преимущества этого метода, а также процессы, протекающие в биореакторах при переработке органики без допуска кислорода, а также узнаем за счет чего можно увеличить эффективность выделения биогаза.

Преимущества утилизации органических отходов в биогазовых установках

Переработка органических отходов в биореакторах биогазовых установок обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими методами их утилизации:

• полное отсутствие газовых выбросов (оборудование полностью герметично);
• процесс переработки экологически безопасен (отсутствуют выбросы и сбросы, получаемые жидкие удобрения нетоксичны и не содержат вредных веществ);
• одновременное получение энергии (электроэнергия и тепло) от сжигания биогаза и продукции (жидкие органические удобрения);
• возможность использования любых видов органических отходов;
• высокая рентабельность, приводящая к быстрой окупаемости, несмотря на высокую стоимость оборудования биогазовых установок;
• дает возможность обеспечить теплом и электроэнергией сельскохозяйственные комплексы или жителей отдаленных регионов;
• возобновляемая энергия (получается из отходов, которые постоянно образуются);
• ведет к сокращению выбросов парниковых газов, особенно метана, выделяющегося при его хранении в навозохранилищах (лагунах);
• применение биогаза ведет к экономии традиционных видов топлива (1 куб. м биогаза заменяет 0,6 л бензина);
• может служить основой для создания агропромышленного кластера или экотехнопарка (источник бесплатной электроэнергии и тепла).

Все эти бесспорные преимущества делают биогазовые установки очень перспективными для экологически безопасной утилизации широкого спектра органических отходов. Особенно это касается навоза и помета, требующих для своего временного хранения больших объемов земель сельскохозяйственного назначения. Кроме того их хранение связано с выделением неприятных запахов, а также метана, являющимся парниковым газом.

В качестве недостатков биогазовых установок можно отметить:

• высокую стоимость установок, составляющие десятки миллионов рублей;
• более низкую производительность по сравнению с компостированием или сжиганием.

Процессы, протекающие при переработке органики в биореакторе (метантенке)

В получении биогаза участвуют четыре последовательных процесса, протекающих с участием особых видов микроорганизмов. На первой стадии происходит гидролиз сложных органических соединений, входящих в состав отходов, с получением соединений с более низкой молекулярной массой. На этой стадии из углеводов, белков и жиров образуются аминокислоты, сахара и жирные кислоты. Участвующие в процессе гидролиза микроорганизмы выделяют гидролитические ферменты, ускоряющие процесс.

На следующей стадии включаются другие виды микроорганизмов, превращающие эти промежуточные соединения в низшие жирные кислоты (пропионовую, масляную, уксусную), а также водород и углекислый газ.

На третьей стадии ацетогенные микроорганизмы превращают масляную и пропионовые кислоты в уксусную кислоту, водород и углекислый газ. Они служат основным сырьем для получения метана.

На заключительной стадии метаногенерирующие микроорганизмы синтезируют метан, соединяя водород с углекислым газом или расщепляя уксусную кислоту.

Обычно все эти четыре процесса протекают одновременно в биореакторе (метантенке) в отсутствии кислорода, который губителен для метанобразующих микроорганизмов. В связи с протеканием всех реакций в закрытом биореакторе данная технология характеризуется полным отсутствием газовых выбросов.

Все эти колонии микроорганизмов содержатся в отходах животноводства и птицеводства (навозе и помете). При переработке этих отходов добавлять другие виды микроорганизмов нет необходимости. А при переработке, например, сточных вод требуется для запуска процесса добавки специальных штаммов микроорганизмов или определенного количества навоза.

Пути увеличения интенсивности выделения биогаза

Основным фактором, определяющим интенсивность выделения биогаза, является температура. Существуют различные температурные режимы производства биогаза:

• психрофильный (менее 25 град. С)- требует минимального количества тепла для поддержания процесса, но характеризуется очень низкой скоростью выделения биогаза. Используется только в малых установках в странах с теплым климатом, позволяющем обойтись без подогрева реакторов;
• мезофильный (от 35 до 45 град. С)-такой режим реализован в большинстве действующих биогазовых установок в нашей стране. Он позволяет обойтись небольшим количеством тепла для обогрева биореактора, но не позволяет обеспечить максимальную скорость производства биогаза;
• термофильный (от 45 до 55 град. С)-обеспечивает максимальную скорость получения биогаза и увеличивает долю метана в нем. Однако, требуется максимальное количество тепла для поддержания этого режима.

Другим важнейшим фактором является размер частиц органических отходов. Чем мельче, тем лучше. Облегчается доступ бактерий к органическим веществам благодаря облегчению процессов диффузии. Это значительно увеличивает выход биогаза и долю метана в нем.

Подробнее о факторах, определяющих эффективность работы биогазовых установок можно узнать из следующего видео:

Кроме того важным фактором является отсутствие соединений, подавляющих жизнедеятельность микроорганизмов (тяжелых металлов, антибиотиков, дезинфицирующих средств и др.).

Оптимальные условия работы биогазовых установок

Для максимальной скорости выделения биогаза и увеличения доли метана должны выполняться следующие оптимальные условия:

• высокая влажность (доля твердой органики 5-15%);
• термофильный режим (45-55 град. С);
• соблюдение выбранной температуры (для термофильного режима допустимые отклонения не превышают 0,5 град. С);
• оптимальный размер частиц (чем меньше, тем лучше-оптимально 1-5 мкм);
• применение энзимов, ускоряющие разложение органики;
• периодическое перемешивание органического субстрата в биореакторе. Это способствует выходу биогаза, препятствует образованию корки, способствует распределения свежего субстрата и сообщества микроорганизмов. Однако, перемешивание должно быть щадящим, чтобы не разрушить сообщество микроорганизмов.

Заключение

Таким образом, определены условия, определяющие максимальную эффективность биогазовых установок. Это делает их еще более перспективными для экологически безопасной утилизации органических отходов с одновременным получением энергии и продукции.

Такая переработка соответствует всем принципам экономики замкнутого цикла, о переходе к которой объявила Россия. Это особенно важно для нашей страны, испытывающей проблемы с экологичной утилизацией органических отходов.