АГРОБИО ТЕХНИКА - растениевъдство, животновъдство, биоенергетикагодина VI, брой 6, 2018

Технологии за биогаз

Технологии за биогаз

Биогазът се явява надежден възобновяем енергиен източник, спомагащ за опазване на околната среда. Производството му от животински, хранителни, растителни и канализационни отпадъци, създава възможност за получаване на топлинна и електрическа енергия. Това налага приложението на специални технологични съоръжения-биореактор, системи за съхранение на биогаза, когенератор. Качеството на наличните суровини, като съдържание на сухо вещество, състав и други, определя технологията за производството на биогаза.
В статията ще разкажем за сухата и мокра анаеробна ферментация, за основните био-технологични етапи на анаеробната ферментация, за видовете биореактори за производство на биогаз.


В зависимост от вида на сухото вещество в преработваната във ферментатора биомаса, анеробната ферментация се разделя на два основни вида-мокра и суха. При сухата ферментация, смесени битови отпадъци или органични отпадъци със съдържание на сухо вещество над 35%, както и енергийни култури и силажи периодично се зареждат един върху друг в биореактор. В биореактора при температура от 40°C и в продължение на 28-30 дни се извършва ферментацията на заложената биомаса. Съотношението на смесване на прясна с ферментирала биомаса е 40:60%. По този начин става заразяване на прясната биомаса от ферментиралата. Освен селскостопанска отпадъчна биомаса може да се използва и отпадъчна дървесна биомаса, която е богата на лигнин, целулоза, белтъци, мазнини, восъции и смоли. Последната се добавя към ферментиралата биомаса в съотношение 20:80% като задължително се увлажнява.

Мократа ферментация е по-често използваната технология за производство на биогаз. Течната фаза на отпадъчната биомаса създава добра възможност за обмяната на хранителни вещества и енергия между анаеробните бактерии и преработваните субстрати. Както и при сухата ферментация могат да се смесват различни субстрати, в определено процентно съотношение. Широко приложение има смесването на течни и твърди субстрати. Съдържанието на сухо вещество в тях трябва да е под 30%. В резултат на мократа ферментация се получава биогаз, който се отделя от органичната течност. Полученият биогаз се състои основно от метан и въглероден диоксид. Скоростта на анаеробните ферментационни процеси, а също и добива на получения биогаз, силно зависят от температурата.

Основни био-технологични етапи на анаеробната ферментация
За образуването на биогаз, анаеробната ферментация протича с едновременното и взаимозависимо извършване на четири биохимични реакции-хидролиза, ацидогенеза, ацедогенеза, метаногенеза. При хидролизата, сложните органични молекули се разграждат до разтворими мономери. Хидролитичните и ферментационни бактерии-целулаза, протеаза и липаза, отделят ензими катализиращи биохимичната реакция. Получават се разтворими захари, аминокиселини, глицерол и дълго верижни карбонови киселини.

При ацидогенезата-образуване на киселини, ферментатидните бактерии известни още като формиращи киселини, трансформират продуктите от хидролизата в 30% прости органични киселини-оцетна, пропионова и маслена киселина, както и етанол, 70% въглероден диоксид и водород. Процесът на образуване на киселини се съпровожда с протичане на две биохимични реакции-ферментация и реакция на образуване на киселини. С ферментацията, разтворимите органични продукти от хидролизата се трансформират в прости органични съединения-летливи мастни киселини, кетони и алкохоли. При ацетогенезата, летливите мастни киселини и алкохоли се окисляват в ацетат, водород и въглероден диоксид, преди превръщането им в метан. Те могат да бъдат използвани от метаногенните бактерии. Процесът е тясно свързан с метаногенезата.

Важни реакции са превръщането на глюкозата до ацетат, както и превръщането на етанол и бикарбонат до ацетат.

Водорода има критично значение при образуването на пропионовата и маслената киселини, защото контролира активността на ацетогенните бактерии. Тези реакции могат да се осъществят само ако концентрацията му е много ниска. При метаногенезата или образуването на метан, специалните едноклетъчни микроорганизми – archaea, произвеждат метан от ацетат, водород и въглероден диоксид. 70% от образувания метан се получават от ацетат, докато останалите 30% се получават при редукцията на въглероден диоксид с водород.

Това е най-бавната част от процеса. Тя е силно зависима от експлоатационните условия, като състав на суровината, скорост на захранване, температура и pH на средата. Целта е да се създадат подходящи условия за поддържане на активността на анаеробните микроорганизми.

Отделеният метан при метаногенезата се използва за гориво. Като краен продукт в биореактора се получава и остатъчна биомаса. Тя се състои от неразградена напълно суровина и клетки на метаногенните бактерии. Използва се като течен тор за селскостопанските култури.

Видове анаеробни температурни процеси
Контролът върху температурата на ферментационния процес е от решаващо значение за работата на ферментатора. В зависимост от температурата, при която се извършва анаеробното разграждане, протичат и други температурни процеси. Такива са психрофилните със средна температура 20°C, мезофилните със средна температура 38°C и термофилните процеси със средна температура 55°C.

Най-широко приложение в биогазовите инсталации имат мезофилните и термофилните процеси. Мезофилният процес се характеризира с поддържане на температура от порядъка на 38°С, която е необходима за активността на мезофилните метаногенни бактерии. При нея се получават високи добиви на биогаз. Времето за ферментация на биомасата в биореактора е 5 седмици. Термофилният процес изисква поддържане на температура от порядъка на 55°С, също необходима за активността на мезофилните метаногенни бактерии. При тази температура се получават и по-високи добиви на биогаз. Времето за ферментация е само 2 до 3 седмици. Затова много инсталации за биогаз в Европа работят в термофилен режим. Предимствата на последния в сравнение с мезофилния са ефективното унищожаване на патогените, намалена времева продължителност на престой-по-бърз и по-ефективен процес, по-ефективна биоразградимост на субстрата, по-добро разделяне на течната от твърдата фракция.

Основните недостатъци на термофилния процес са по-голямата степен на нехомогенност, по-голямата нужда от енергия за поддържане на по-високи температури, по-висок риск от инхибиране на процеса с амониеви йони, поради бързото им натрупване в средата. Последният недостатък е особено важен за контрола, защото високата концентрация на амониеви йони може да доведе до унищожаване на бактериите и забавяне на процеса.

Показателят рН-концентрация на водородните йони, е мярка за киселинността/алкалността на разтворите. Той оказва влияние върху растежа на микроорганизмите и разграждането на субстрата. Установено е, че най-добре протичат жизнените процеси в метаногенните бактерии при рН 7,2-7,4. Ацидогенните бактерии са със значително по-ниски оптимални стойности на рН 2,5-5,0. Киселинността/алкалността на разтворите се изменя по-следния начин.

В началото на мезофилната ферментация образуващите бактерии са с високо рН. След около 15 дни метаногенните бактерии се развиват и се получава бавно спадане на киселинността, защото киселините се превръщат в метан. Тогава рН на средата се намира между 6,5 и 8,3. Поддържане на оптимален интервал на рН на средата, се постига чрез стриктно спазване на технологичния процес. Ако рН падне под 6,0 или надхвърли 8,3, средата ще оказва отрицателно въздействие въху жизнените процеси на бактериите и ферментационния процес силно ще се затрудни.

Възможно е контролиране на рН, чрез внасяне на алкално действащи вещества по време на ферментационния процес. Това обаче не е желателно. Храната на бактериите се състои от органичен въглерод и органичен азот. Затова във входящата биомаса-торовата суспензия, трябва да има подходящо съотношение на азота-под формата на протеини и на въглерода-под формата на въглехидрати. От въглехидратите идва енергията на бактериите, а на протеините се дължи растежът им. Съотношението на въглерода и азота в суспензията се смята за оптимално ако е 30. Например, най-доброто съотношение 14-19, е за суспензия, съставена от животинска тор, други отпадъци от животни и вода. При това отношение биореакторите работят стабилно. Тяхната работа се влошава, когато съотношението въглерод/азот е по-малко от 10, и когато е по-голямо от 60.

Ако азотът е в голямо количество, то въглеродът бързо ще се изконсумира. Тогава азота остава напълно неоползотворен. Отделят се миризливи и негорими амонячни газове. Ако въглеродът е в голямо количество, то азотът бързо ще се изконсумира. Тогава въглерода остава напълно неоползотворен. Забавя се отделянето на метан.

Отношението въглерод/азот на торовата биомаса може да се увеличи чрез добавяне на въглерод съдържаща биомаса, при условие че то се запази по-малко или равно на 30. Ролята на добавките е не само за интензификация на газо-отделянето, но и за прякото нарастване на енергийния добив. Към потенциала на животинския тор се прибавя и потенциала на добавките. Присъствието на тежки метали, антибиотици, миещи препарати и други химични елементи, използвани в селското стопанство може да окаже забавящо въздействие върху ферментационния процес.

Процесът на получаване на биогаз е сложен и последователен. Свързан е с разпадане на различни биополимери в анаеробни условия. Особено важни са температурните условия. За благоприятна температура за протичане на процеса се смята температура между 35 и 70°С . От голямо значение е херметичността в биореактотора.

Биореактори за производство на биогаз
Биогазът се произвежда в инсталация за производство на биогаз. Тя представлява сложно съоръжение, състоящо се от различни основни елементи. В най-голяма степен оборудването зависи от вида и количеството на изходните суровини. Основновното съоръжение в инсталацията за производство на биогаз, е биореакторът или ферментаторът. Той е свързан и с голям брой други компоненти.

Биореакторът представлява херметичен цилиндричен резервоар с конично дъно и куполна покривна конструкция. Основните му елементи са корпусът, помпената станция, разбъркващите устройства на суровината, системите за въвеждане на суровината, системите за отвеждане на вторичните продукти и биогаза. В повечето случаи биореакторите са покрити с бетонен или стоманен покрив. Отделеният биогаз се пренася по тръбопроводи и се съхранява във външни съоръжения близо до биореактора. В други случаи конструкцията на покрива може да бъде херметична мембрана улесняваща съхранението на произведения биогаз. Анаеробните биореактори трябва да са топлоизолирани и подгрявани.

Обемът на биоректора може да варира от няколко кубически метра за малки биогазови инсталации, до големи промишлени централи с по няколко биореактора и с няколко хиляди кубически метра. Видът на биореактора се определя от съдържанието на водата и сухото вещество в субстрата. Както споменахме по-горе, в зависимост от вида на сухото вещество, анеробната ферментация се разделя на два основни вида-мокра и суха. Сухата ферментация се осъществява при съдържание на сухо вещество в субстрата над 35%, а мократа при съдържание на сухо вещество под 30%.

Мократа ферментация се използва най-често за разграждане на оборски тор и утайки от пречиствателни станции за отпадни води. Сухата ферментация се прилага за разграждане на оборски тор с високо съдържание на слама, твърди битови биологични отпадъци, окосена трева от поддръжката на градините, енергийни култури-пресни или силажирани и други.

В зависимост от подаването и извеждането на суровината, биореакторите се разделят на периодични и непрекъснати. Биореакторите с периодично производство на биогаз се зареждат еднократно с партида свежа суровина. След приключване на анаеробния процес на разграждане, той се изпразва от биомасата. Следва зареждане с нова партида и процесът се повтаря. Важно за инсталацията с периодичен биореактор е да има газголдер с голям обем или няколко реактора. Целта е да се осигури непрекъснатост в доставянето на биогаза. Такива реактори са подходящи за малки фамилни стопанства. За разлика от течната ферментация, сухата ферментация изисква разбъркване и смесване на суровините по време на метаногенезата. Температурите на процеса и на филтрата се регулират с вградена отоплителна система и топлообменник. Последният се явява резервоар на филтрираната течност.

Периодичните реактори се използват за комбинирано сухо и течно производство на биогаз при насипни видове суровина. За целта се използват отпадна вода и филтрати в големи количества за разреждане на суровината. Предимствата на периодичните реактори в сравнение с другите системи, са по отношение на разходите за процеса и механизацията му. Недостатък са по-високите разходи за енергия и поддръжка.

Непрекъснатите биореактори се зареждат непрекъснато или равномерно, а вторичната биомаса се извлича периодично. Добре би било използваната суровина да бъде еднородна и в течно състояние. Материалът се придвижва през биореактора механично или от налягането на подавания нов субстрат. За разлика от периодичните реактори, непрекъснатите произвеждат биогаз без прекъсване на процеса за отвеждане на вторичната биомаса и зареждане с нова суровина. Непрекъснатите реактори произвеждат постоянно и прогнозирано количество биогаз и вторична биомаса. Затова в днешно време последните са по-често изграждани заради високата си ефективност. Те могат да преработват и комбинирана суровина, например слама и течни животински отпадъци. Сламата бавно изгнива. Тя се използва за периодичен товар. С нея непрекъснатия реактор се зарежда два пъти в годината. Другите течни отпадъци, се подават и отвеждат от него непрекъснато.

Съществуват три основни вида непрекъснати биореактори - вертикални, хоризонтални и със сложна структура на резервоара. В зависимост от начина на разбъркване на субстрата непрекъснатите биореактори се разделят на напълно размесвани и проточни. Напълно рамесваните биореактори в повечето случаи са вертикални, а проточните хоризонтални.

Вертикалните биореактори са кръгли резервоари от стомана или железобетон, с конично дъно за лесно разбъркване и изпразване на пясъчните отлагания. Те са херметични, топлинно изолирани, подгряват се и са оборудвани с бъркалки и помпи. Конструкцията на покрива е херметична единична или двойна мембрана за съхраняване на произведения биогаз. Биореакторите от железобетон са с висока херметичност. Тя се дължи на насищането на бетона с вода от влагата, съдържаща се в суровината и биогаза. Стоманените биореактори се инсталират върху бетонна основа. Стоманените листи са заварени или свързани един към друг с болтове. Заваръчните шевовете се подсилват.

Хоризонталните биореактори са с хоризонтални оси и цилиндрична форма. Този вид биореактори се изработват предварително и се транспортират готови до площадката на инсталацията за биогаз, т.е. ограничени са по размер и обем. Стандартният тип хоризонтален стоманен биореактор за малки биогазови инсталации е с обем 50-150m3. Същият може да се използва за предварителна ферментация при по-големи централи. Хоризонталните биореактори могат да работят паралелно, с цел постигането на по-голяма пропускателна способност. Тяхната форма позволяава използването на автоматично поточен тип система. Суровината се придвижва бавно от входа към изхода, като формира поток през биореактора. Рискът от изхвърляне на неферментирал субстрат е малък. Специфичното време за престой в биореактора може да се контролира. Хоризонталните биореактори с непрекъснат поток преработват суровини, като птича тор, трева, царевичен силаж или оборски тор с високо съдържание на слама.

Изолираният биореактор е оборудван с подгряваща система, купол за съхранение на газа, тръби за оборския тор и бъркалка. Подгряващата система се състои от подгряващи тръбопроводи с противоточно подаване на топла вода или вградени по диагонал радиатори. Витлата на бавно въртящата се бъркалка са разположени спирално по оста на въртене. Осигурява се равномерно разпределение на усукващия момент. Големият брой витла позволява транспортирането на пясъчните отлагания до дренажния резервоар. Чрез осигуряване на непрекъснат равен обем на входящия и изходящия поток на суровината, се постига средно време на престой от 15-30 дни. Нивото на запълване на биореактора трябва да достига една и съща стойност, да се поддържа до едно и също ниво, чрез допълнително подаване или източване на суровината.

Големите биогазови инсталации се състоят от няколко биореактора със сложна конструкция. Експлоатират се като системи с непрекъснат поток, състоящи се от няколко основни и вторични биореактори. Те могат да бъдат вертикални и хоризонтални. Резервоарите за съхранение на вторичната биомаса се използват и като вторични биореактори. Те трябва да са покрити с херметична мембрана, защото синтеза на биогаз продължава и при по-ниска температура във вторичния реактор.