Биогаз

от Уикипедия, свободната енциклопедия

Биогаза е богат на метан газ. Метановото съдържание е от 50 до 85%. В състава си съдържа също така и въглероден двуокис от 15 до 40%,азот,водород,кислород и сероводород. Получава се при ферметационни процеси в анаеробна среда(без кислород) на биологични продукти при строго определени температури.Изходните суровини за производството на биогаз са отпадъци от животински ферми – фекалии, постеля ( смес от фекалии и слама ), отмивни води, хранителни отпадъци. Тези материали съдържат органични и неорганични вещества и затова са подходяща среда за развитието на всякакви микроорганизми. Те са серозен проблем защото се натрупват в големи количества и замърсяват околната среда. При естествената им ферментация се отделя метан, който е парников газ и представлява 7 до 10 % от световното замърсяване с метан;целулозосъдържащи материали – слама, царевичак, дървесен материал. Те са изградени от физически и биологически стабилни бинополимери – целулоза, хемицелулоза, лигнин.Енергетичното съдържание на биогаза е около 22 600 KJ/m или 5400 ccal/m (1 KJ = 4,185 ccal). Калорийноста на 1 кг метан съответства на тази на 1,18 кг мазут, т.е. 1m метан = 1l мазут, като се има предвид, че един кубически метър метан при атмосферно налягане и температура 15 градуса целзий има маса 718 грама. От 1 кг биомаса( като сухо вещество ) се получават от 200 до 1200 литра биогаз в зависимост от състава на биомасата и условията за ферментация. Чрез помоща на биогаз може да се произвеждат електроенергия, топлоенергия и метан. В биогазовите уредби и по-точно във ферментаторите им се събира метана, получен при ферментацията. Въглеродния двуокис, който съпътства метана в състава на биогаза, не е повече от този, който се получава при естествената ферментация на отпадъците. Остатъчните продукти от метаногенната ферментация са вода и обезмирисен и обеззаразен биологичен тор с по-висока концентрация на минерали и микроелементи в него и с азот в по-лесно усвоима от растенията форма.Производството на метан от биомаса се реализира на различни етапи на преобразуване наорганичната материя. За да достигнем до метана(СН4) и въглеродния диоксид(СО2), които са крайните продукти, е необходима една система от микроорганизми, които преобразуват органичните съединения в органични водородни киселини и въглероден диоксид. Също така са необходими микроорганизми, които преобразуват органичните киселини до оцетна киселина и следва декарбоксилация отново до метан. Преобразуването на целулоза до метан може да стане чрез смес откултивирани микроорганизми, която съдържа водород,СО2 и летливи мастни киселини. Летливите мастни киселини се преобразуват до оцетна киселина СН3СООН от която в последствие чрез декарбоксилиране се получава метан. До метан могат да се преобразуват и вещества като алкохоли и алдехиди.Анаеробната ферментация е процес, който се извършва във ферментаторите за полуаване на биогаз. Той съдърва до 70 % метан, CO2 и биошлам. Метаногенните бактерии синтезират метан непосредствено от водород и въглероден двуокис.За увеличаване на метаногенната активност са създадени щамове бактерии чрез методите на генното инженерство. Анаеробната ферментация се състои от разлагане на органичен материал в отсъствие на кислород. За да стане този процес по оптимален начин, с оглед максималното извличане на метан, е необходимо да се постигне определена физическа консистенция и химически състав на субстрата, което става чрез смесването на подходящи съотношения на различните видове отпадъци чрез специални миксери и добавяне на вода. Биологичната процедура на ферментацията се състои от три фази. Към първата фаза бактерии от киселина трансформират сложния органичен подслой на прости органични киселини. Продуктите на тази фаза са газови киселини с кратка връзка. През втората фаза метаногенните бактерии трансформират киселините от първата фаза към газови продукти (CH4, CO2). Полученият метан CH4, излизащ от системата се акумулира и се използва като гориво. Окончателното бактериално преобразуване на органичните вещества във СО2 и СН4 се осъществява на третия етап от процеса. Освен това от СО2 и Н2 се образуват допълнителни количества СН4 и Н2О. Изследвания показват, че големият процент на получения метан произхожда от директното трансформиране на оцетна киселина, а останалият – от въглеродният диоксид. Изчислено е, че около 10 % оторганичния материал се използва за храна на развитите бактерии а останалото се трансформира в метан. Главният технико-икономически параметър по който се диференцират реакторите е топлината в тях. Има три основни температурнои технологии, които намират приложение в съвременната промишленост. При първата технология се използва събирането на метан от покрити вместимости, например лагуни, което става при температура на околната среда. Отделения газ е в не-големи количества. Времето за ферментация в покритите лагуни е над 60 денонощия, което ги прави неефективни за устийчиво енергопроизводство. Такива еденични системи работят в тропиците и субтропиците. Те са възможно най-евтините производства на биогаз. Втората технология,така наречената мезофилна технология,предвижда строго дефинирана температура от порядъка на 36°С, която е характерна температура за мезофилните метаногенни бактерии и добивите на биогаз са много големи. Времето за ферментация обикновенно е 5 седмици. Следва да се има в предвид, че температурата във вертикалните ферментатори на повърхността е около 41°С, докато в ниската му част, която в някои конструкции е подземна е 35°С. В САЩ системите за мезофилна технология са по-сложни и съответно по-скъпи, защото е нужно да се подгряват резервоари за пастъоризация на торова маса, което е свързано с допълнителни капиталовложения и експоатационни разходи, но осигурява обеззаразен биологичен тор. Третата технология е термофилната. Предвижда строго дефинирана температура от порядъка на 56°С, която е характерна температура за термофилните метаногенни бактерии, при които добивите на биогаз са по големи в сравнение с по-горе разгледаните. Времето за ферментация е по-късо и степеннта на деградация на торовата маса е по-голяма. Допълнително предимство на тази технология е, че не е нужно да се подгряват пастъоризатори за хигиенизация на остатъчната торова маса. Ферментаторите и другите инсталации по тази технология са по-скъпи, защото изискват по-добра топлоизолация и имат по-гилям разход на енергия, въпреки че в тях престоят на торовата маса е по-малък. Такива системи изискват по-прецизен контрол защото риска от отделяне на високо количество амоняк е по-голям, което може да доведе до унищожаване на бактериите и до забавяне на ферментацията. Тези инсталации се използват по-рядко, предимно в Германия, Дания и други скандинавски страни. Концентрацията на водородни йони или рН стойност оказва влияние върху жизнената дейност на микроорганизмите. Най-добре протичат жизнените процеси при рН = 7,2 – 7,4. В началото на ферментацията образуващите бактерии са доминиращи и си 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 7 и 8 (средно и леко алкална). Ако за средата рН е 9 то развитието на метаногенните бактерии се увеличава, но за сметка на това развитието на ацидогенните бактерии намалява. Поддържането на оптимално рН на средата се постига чрез строго спазване на технологичния процес. Ако рН падне под 6,2 средата ще има токсичен ефект върху бактериите. Възможна е корекция, чрез внасяне на алкалнодействащи вещества по време на ферментационния процес, но не е желателно. Бактериалната храна има основни съставки органичен въглерод С (Carbon) и органичен азот N ( Nitrogen ). Затова входящите суровини,торовата суспензия, например, следва да имат подходящо съотношение на азота, под формата на протеини и на въглерода, под формата главно на въглехидрати. Въглехидратите определят енергията, която получават бактериите, а на протеините се дължи растежът им. Съотношението на въглерода и азота в суспензията се смята за оптимално ако е C:N = 30:1. Най-доброто съотношение е 14 – 19:1, което съответства на суспензия, съставена почти изцяло от животинска тор, съпътстващи тора отпадъци от животни, фермата и вода. При това отношение ферментаторите работят много стабилно, тяхната работа се влошава в два случая: Първият е когато C/N < 10. Вторият е когато C/N > 60 Ако азотът е сравнително много( случай 1 ), то въглерода бързо ще бъде изконсумиран, а азота ще остане неоползотворен напълно, което води до отделяне на миризливи и негорими амонячни газове. Ако въглерода е относително много( случай 2 ), то азотът бързо ще бъде изконсумиран а въглерода ще остане неоползотворен напълно, което ще доведе до забавянето на отделянето на метан. Отношението C/N на торовата маса може да се увеличи чрез добавяне на въглеродосъдържаща биомаса, но при условие, че то се запази по-малко или равно на 30:1. Ролята на добавките е не само за интензификация на газоотделянето, но и до пряко нарастване на енергийния добив, тъй като към потенциала на животинския тор се прибавя и потенциала на добавките. Присъствието на тежки метали, антибиотици, измивни препарати и други елементи, използвани в селското стопанство може да има забавящ ефект върху ферментационния процес. Този ефект настъпва при концентрации на мед Cu ( 10 – 250 mg/l); калции Ka (8000 mg/l); натрий Na (8000 mg/l); магнезий Mg (3000 mg/l); никел Ni (100-1000 mg/l); цинк Zn (350-100 mg/l) и други.