В этом случае разложение органики происходит в результате жизнедеятельности анаэробных бактерий. Эти микроорганизмы обычно живут на дне болот или в других местах, где нет доступа воздуха, и в результате их деятельности органические вещества разлагаются с выделением метана и водорода.
Помещая в емкости такие отходы, как навоз и другие нечистоты и добавляя сюда бактерии, мы можем через некоторое время собрать выделяющийся газ и полезно его использовать.
Шведская фирма "Скания" создала грузовые автомобили, работающие на биогазе. При его использования у двигателя автомобиля более чистый выхлоп, да и шум, создаваемый двигателем при работе на биогазе, несколько ниже, чем при использовании природного газа.
Правительство Швеции поощряет развитие технологий анаэробного разложения различных органических отходов. Сейчас в Швеции работает более 200 заводов по переработке органических отходов в биогаз, большинство из которых производят переработку жидких муниципальных отходов. В последние годы было введено в эксплуатацию 8 крупных заводов по переработке твердых отходов, размещаемых на полигонах хранения.
Постройка некоторых заводов частично финансировалась ЕС. Один из таких заводов будет производить биогаз с запасом энергии 20 ГВт/год. Переработке будут ежегодно подвергаться 15 тыс. т пищевых отходов и 13 тыс. т отходов сельского хозяйства. Биогаз будет использоваться при выработке электроэнергии, для отопления и как автомобильное топливо.
В городе Лунде администрация планирует постройку завода по переработке 50 тыс. т отходов и навоза. В Стокгольме планируется перерабатывать полностью 30 тыс. т/год пищевых отходов и получать газообразное топливо для автомобилей. Три подобных завода способны обеспечивать ежегодно биотопливом почти 6000 автомобилей.
В последние годы использование биогаза как автомобильного топлива вызывает все больший интерес. В Стокгольме, например, уже действуют четыре заправочные станции. Во многом этот интерес объясняется тем, что выбросы оксидов азота при работе автомобильных двигателей на биогазе существенно меньше, чем при работе на традиционном топливе. Однако стоимость биогаза пока выше, чем традиционных видов топлива.
Технология метанового сбраживания нашла широкое применение в животноводческая отрасли. Данная технология утилизации органических отходов обеспечивает на животноводческих объектах высокую степень обеззараживания отходов, получение органических удобрений в кратчайший срок, а также выработку нетрадиционного энергетического топлива - биогаза. Анализ мирового опыта производства энергии из отходов показывает, что энергия в виде биогаза, получаемая в процессе анаэробного сбраживания, вносит существенный вклад в энергоснабжение ферм. Существует несколько основных принципов создания безотходных биотехнологических систем, построенных на автономном энергоснабжении.
С появлением в России фермерских хозяйств появилась острая необходимость создания достаточно простых в использовании комплексов по производству биогаза из органических отходов. Для семьи из пяти или шести человек ежедневно требуется не более 4-6 м3 биогаза. Этого количества вполне достаточно для обогрева помещений, получения горячей воды и приготовления корма для скота. Такие комплексы выпускают многие предприятия в России, странах СНГ и дальнего зарубежья.
В России созданы биоэнергетические установки объемом от 3 до 125 м3. Одной из наиболее известных считается установка типа К-Р-9-1 конструкции НПО "КТИСМ" и ЦНИИПТИМЭЖ. Эта установка пре непрерывном режиме работы может производить 500 м2 биогаза с теплотворной способностью 21- 25,1 МДж/м3. В Ростовской области при широкомасштабном применении таких установок возможно получение сотен тысяч кубических метров биогаза ежедневно, что позволит экономить ежегодно почти 200 ГВт-ч электроэнергии.
Экономическая эффективность использования биогаза значительно повышается, если отходы его производства используются в качестве удобрения, что может повысить урожайность полевых культур на 15-20 %. Отходы свиноводческой фермы с поголовьем 3000 свиней можно перерабатывать на установке "Биогаэ-301С" (ОАО "Сумское НПО им. М.В. Фрунзе", Украина).
Процесс анаэробной ферментации, проходящий в основном аппарате установки - метантенке, представляет собой непрерывную цепь биохимических реакций распада органических веществ под действием анаэробных микроорганизмов, определяющими из которых являются метаногенные бактерии. Характеристики установки представлены в табл. 1.10 ниже.
Примерно такая же технология используется для получения биогаза при разложении любых органических остатков на полигонах хранения муниципальных отходов (свалках). В этом случае поверхность полигона покрывается непроницаемым для газов слоем глины, а в объеме разлагающихся отходов размещают перфорированные трубы, газ из которых направляется в топку котла или в камеру сгорания газовой турбины.
В 1988 году около города Монреаля (Канада) началось использование почти 68 млн. т отходов, которые скопились на полигоне хранения с 1968 года. Постройка электростанции обошлась в 37 млн. канадских долларов, но она окупилась за пять лет.
Таблица 1.10
Технические характеристики установки "Биогаз-301С"
Принципиальная схема биогазовой электростанции приведена на рис. 1.25. Биогаз из толщи разлагающихся отходов по перфорированным трубам поступает в систему, в которой удаляются сконденсировавшиеся капли и все твердые частицы.
Затем компрессорная станция повышает давление газа до 35 кПа и он подается в топку парового котла производительностью 100 т/ч перегретого пара. Сгорание газа происходит при температурах, не превышающих 1700. Перегретый пар поступает в конденсационную турбину мощностью 25 МВт. Вырабатываемой электроэнергии достаточно для обеспечения потребностей жильцов 8200 домов.
Владельцы электростанции установили оборудование для контроля качества атмосферного воздуха, хотя концентрация вредных веществ в газах, выбрасываемых из дымовой трубы, намного ниже нормативных значений.
В США в 31 штате работает более 100 электростанций, использующих газ, производимый на полигонах хранения отходов.
Муниципальное предприятие "Водоканал" совместно с Нижегородским техническим университетом разработало технико-экономическое обоснование проекта строительства комплекса по использованию биогаза. Проект предусматривал приобретение и установку четырех мотор-генераторов фирмы "TRAXEL-TECHNO" (Германия), обеспечивающих выработку тепловой и электрической энергии. Агрегаты этой фирмы используют в качестве топлива биогаз, производимый мусороперерабатывающими заводами или очистными сооружениями. Срок окупаемости проекта с учетом эксплуатационных затрат - 2,6 года.
Технология очистки сточных вод на Нижегородской станции аэрации включает процесс анаэробного сбраживания осадков сточных вод в специальных накопителях - метантенках. В процессе сбраживания без доступа воздуха при температуре 53 °С из массы, поступающей в метантенки, выделяется биотаз, в состав которого входит до 62 % метана.
Согласно проекту, который должен был быть реализован одновременно с вводом станции аэрации, биогаз, низшая рабочая теплота сгорания которого составляет 22 тыс. кДж/м3, должен направляется в котельную, что позволило бы значительно сократить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и сократить затраты природного газа.
Индивидуальная биогазовая установка ИБГУ-1 (рис. 1.26), разработанная центром "ЭкоРос", предназначена для экологически чистой безотходной переработки любых органических отходов, образующихся на крестьянском подворье, с получением газообразного топлива - биогаза и экологически чистых органических удобрений.
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 и соединения, структурирующие почву. Суточный объём обрабатываемых отходов может колебаться от 50 до 200 кг при влажности не менее 85 % и не более 93 %.
Суточный объём выделяемого биогаза, в зависимости от объёма загружаемого сырья, колеблется от 3 до 12 м3 с содержанием 55-60 % метана, 45-35 % углекислого газа и полным отсутствием сероводорода.
Один кубический метр биогаза эквивалентен по теплотворной способности 0,6 м3 природного газа, 0,7 л мазута, 0,4 л бензина, 3,5 кг дров.
В России выпущено и реализовано 55 комплектов ИБГУ-1, в Казахстане - 10. Для северных регионов России (с теплоизоляцией из пенополиуретана) изготовлено 5 комплектов не Юргинском машиностроительном Заводе (город Юрга Кемеровской области).
ТОО "Энерготехнология" выпускает термохимические газогенераторы. В газогенераторе в результате термической переработки^ биомассы получается газообразное топливо, которое может быть использовано без сложной дополнительной очистки для сжигания в топках паровых и водогрейных котлов, в различных технологических установках для нагрева и сушки, в стационарных двигателях внутреннего сгорания с получением электроэнергии, а коммунально-бытовом хозяйстве для нагрева воды и обогрева помещений.
Исходным сырьем для газогенератора являются любые органические отходы: древесина, щепа, кора, сельскохозяйственные отходы, коммунальные и бытовые отходы. Получаемый газ имеет высокую калорийность (8,5 м3 генераторного газа эквивалентны 1 кг мазута); по сравнению с прямым сжиганием твёрдого топлива использование генераторного газа является в экологическом отношения значительно более чистым процессом. Выход сухого газа мажет достигать 2500 м3/ч.
Рис. 1.26. Индивидуальная биогазовая установка ИБГУ-1
Газогенераторы мощностью 600 кВт и 3 МВт прошли приёмочные испытания на различных видах растительной биомассы: торфе, лесосечных отходах, щепе, бытовых отходах, сельскохозяйственных отходах (подсолнечной лузге).
В эксплуатации находится один газогенератор мощностью 3 МВт на Пологовском МЭ (Украина) и газогенераторы мощностью 100 кВт и 600 кВт на демонстрационной газогенераторной станции (Санкт-Петербург).
Практически полное закрытие угольных шахт в Великобритании позволяет получить новый источник альтернативного топлива. Почти 900 заброшенных шахт выбрасывают в атмосферу значительное количество метана, который является опасным парниковым газом.
Относительный вклад метана в создание парникового эффекта составляет 15 %, а концентрация метана в атмосфере с 1900 по 1995 год возросла более чем в три раза Мировая добыча 2 млрд т угля сопровождается выбросом в атмосферу примерно 27 млрд. м3 метана.
Английские энергетики подсчитали, что перевод электростанций на такой вид топлива будет равнозначен эффекту, как будто бы с дорог Великобритании исчезли 300 тыс. автомобилей. До 2005 года в Великобритании планируется построить около 100 станций, сжигающих шахтный метан.
Серьезное внимание уделяется этой проблеме и в России. В РГУПСе разработан способ хранения отходов; согласно которому муниципальные отходы размещают в выработанных пространствах угольных шахт. После биологического разложения органической части отходов выделяющиеся тазы смешиваются с потоком воздуха и направляются в топку парового котла. Одновременно с потоком биогаза в топку поступает и выделяющийся в шахте метан. Процесс разложения отходов идет круглый год при оптимальной температуре, которую можно регулировать путем рециркуляции части продуктов сгорания, покидающих паровой хотел.
Каталитический теплоагрегат, работающий на метано-воздушных выбросах угольных шахт, разработан в ГНЦ "Институт катализа нм. Г. К. Борескова" СО РАН (Новосибирск). Теплоагрегат производит до 2.4 кДж теплоты (до 13 т теплофикационной воды или соответствующее количество технологического пара), на каждые 10 тыс. м3 перерабатываемых вентиляционных выбросов с содержанием метана 0,5-1,5 %.
Технологии использования метана угольных шахт созданы в Англии, Австралии, Германии, Китае, США и Японии, однако нижний предел содержания метана, необходимый для устойчивой работы теплоагрегатов, составляет примерно 10%.
Использование такого вида альтернативного экологически чистого топлива дозволит экономить до 6 млн. ТУТ в год в целом по России. Себестоимость производства теплоты по сравнению с серийным теплофикационным котлом Е-1/9-Т, работающим на угле, снижается на 36%.
5. Ферментация
Многие века люди использовали дрожжи для переработки сахара В спирт. Этот процесс и носит название ферментация.
Ученые в Австралии и США вывели генетически измененные бактерии, которые существенно повышают эффективность переработки бумажных отходов и других растительных остатков в этиловый спирт.
В Бразилии почти пятую часть автомобильного топлива получают в результате переработки сахарного тростника.
