Как эффективно получать биогаз?
В.А.Вавилин
Из-за резкого повышения цен на нефть и газ в последние годы резко вырос интерес к возобновляемой энергетике. Одно из ее интенсивно развиваемых нетрадиционных направлений — производство биогаза. Эту смесь метана и углекислого газа, образующуюся в ходе разложения анаэробными микроорганизмами органического вещества, можно использовать для производства электроэнергии, тепла или автомобильного топлива. Биогаз получают и из специально выращиваемых человеком культурных растений.
В процессе жизнедеятельности человека накапливается огромное количество твердых и жидких органических отходов: навоз с фермерских хозяйств, отходы скотобоен, мусор, выбрасываемый на свалки, ил городских очистных сооружений и пр. Если тот же метан, образующийся из таких отходов, не утилизировать, то огромное его количество, попадающее в атмосферу, может способствовать глобальному потеплению климата.
Биогазовые установки
Первую биогазовую установку построили в Индии еще в 1859 г. С тех пор малые биогазовые установки, применяемые для приготовления пищи, получили широкое распространение
© Вавилин В.А., 2008
Василий Александрович Вавилин, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов — химическая кинетика, динамика сообществ микроорганизмов, математическое моделирование экологических процессов. Член международного авторского коллектива, создавшего общую имитационную модель анаэробных микробиологических процессов (ADM1). Неоднократно печатался в журнале «Природа».
в странах с теплым климатом. Так, в Китае их более 10 млн, они обеспечивают топливом около 60 млн крестьян. Сырьем (субстратом) в таких установках служат различные отходы сельскохозяйственного производства, содержащие органическое вещество. В индустриально развитых странах фермерские хозяйства намного крупнее, чем в странах Азии, и поэтому там используются биогазовые установки большого объема. Среди европейских стран средних и крупных установок больше всего в Германии — около 8 тыс. В энергобалансе Дании биогаз занимает до 18%. При пониженной температуре воздуха часть получаемого тепла используется для обогрева самого анаэробного реактора.
Хотя биогаз состоит в основном из метана (50—75%) и диоксида углерода (25—50%), в нем, в отличие от природного газа, могут содержаться аммиак и сероводород. Сжиженный газ с такими примесями плохо пахнет и вызывает коррозию материалов, в частности трубопроводов. Поэтому для его использования в качестве автомобильного топлива необходима хорошая очистка. Тем не менее на биогазе уже работает значительное количество автобусов в Швеции и Швейцарии, в которой к 2010 г. 10% автотранспорта перейдет на биогаз.
Биогазовая установка, как правило, состоит из двух частей: непосредственно анаэробного реактора, производящего биогаз, и газгольдера, где полученный газ сохраняется. Более 87% действующих биогазовых предприятий работают на однокамерном анаэробном реакторе. В зависимости от концентрации исходного субстрата процесс ферментации называется влажным (меньше 20%) или сухим (порядка 30%). Такие технологии как Bioferm, Bekon, 3-A Biogas и Biocell основаны на перидическом процессе, тогда как
БИАКСО, Кошро§а8, Апаеош и АТБ используют непрерывный процесс с сухой ферментацией. Существуют и российские компании, производящие биогазовые установки. При неправильной эксплуатации и плохой конструкции установки возможны взрывы.
Поскольку в образовании биогаза участвует целое сообщество анаэробных микроорганизмов, к настоящему времени нет однозначных критериев для оптимального биогазового реактора. Один из таких показателей — степень перемешивания органического вещества. Известно, что интенсивное перемешивание препятствует образованию пены наверху реактора и помогает устранить в нем «мертвые» зоны. В то же время оно способствует однородному распределению всех микроорганизмов в реакторе, что при большой органической нагрузке приводит к нарушению баланса и закислению реакционной среды с остановкой всего процесса.
Превращение органического вещества в биогаз
Процесс превращения органического вещества в метан и углекислый газ часто описывается как простая химическая реакция 1-го порядка:
Р = РВ + а5о(1 - е-к<), (1)
где S — концентрация разлагаемого субстрата, Р — концентрация продукта, к — константа скорости реакции 1-го порядка по субстрату, а — коэффициент трансформации субстрата в продукт, Ро и 5о — начальные концентрации продукта и субстрата соответственно. Для определения величин коэффициентов к и а и их стандартных отклоне-
ний можно применить нелинейную регрессию (рис.1, 2).
Анаэробное разложение органических веществ сопровождается четырьмя последовательными стадиями: гидролизом полимеров, кислото-генезом, ацетогенезом и метаногенезом. Часто именно гидролиз как первая и самая медленная стадия ограничивает общую скорость всего процесса, т.е. константа скорости реакции к в уравнении (1) соответствует константе скорости гидролиза. Органическое вещество, как правило, состоит из углеводов, белков и жиров, имеющих разный химический состав, что определяет коэффициенты к и а. Широкий разброс значений к (0.01 — 0.8 сут-1) объясняется и различными экспериментальными условиями, и тем, что трансформация органических веществ зависит от присутствия микроорганизмов-гидролитиков, выделяющих внеклеточные ферменты, гидролазы [1]. Углеводы, белки и жиры разлагаются соответственно целлюлазами, протеиназами и липазами. Образующиеся моносахариды, аминокислоты и длинноцепочечные жирные кислоты затем превращаются в ацетат и водород и, наконец, в метан [2]. Если промежуточных продуктов слишком много, образуется не метан, а другие химические соединения. Так, при термофильном разложении навоза конечным продуктом может быть ацетат.
Как и для обычных химических реакций, с повышением температуры скорость трансформации обычно увеличивается. В соответствии с температурой анаэробные процессы подразделяются на психрофильные (порядка 20°С и ниже), мезо-фильные (порядка 35°С) и термофильные (выше 50°С). Скорость анаэробных процессов существенно ниже, чем аэробных — они могут продолжаться месяцы и годы.
Рис.1. Динамика накопления метана в ходе разложения отходов свиноводческого хозяйства при термофильных условиях. Процесс хорошо описывается простой химической реакцией 1-го порядка.
Рис.2. Образование ацетата в ходе разложения навоза крупного рогатого скота в термофильных условиях. Цифрами указана начальная концентрация субстрата. Для калибровки модели использовалась средняя кривая.
В начале 90-х годов прошлого столетия мы построили имитационную модель «Метан», позволяющую оценить скорость разложения органического вещества в анаэробных условиях [3]. Это первая в мировой практике обобщенная математическая модель анаэробного процесса, которой могут пользоваться обычные исследователи и инженеры, а не только программисты-профессионалы. В настоящее время она доступна через Интернет (www.methane.da.ru). В нее в качестве переменных включены основные группы микроорганизмов (кислотогенные, ацетогенные и метано-генные), усваивающие твердые, жидкие и газообразные субстраты. Это позволило применить модель для анализа динамического поведения многих анаэробных систем. Показано, что несбалансированность отдельных стадий процесса приводит к накоплению жирных кислот, аммония, водорода, сероводорода и др. В итоге превращение органического вещества в метан уже не протекает по реакции 1-го порядка. К настоящему времени большую известность получила обобщенная модель анаэробных процессов АБМ1, созданная под эгидой Международной водной ассоциации. Обе построены для полностью перемешиваемых систем, что не позволяет описывать процессы, идущие в реакционном пространстве.
В случае сбалансированного превращения органического вещества в метан именно гидролиз лимитирует общую скорость трансформации. При этом образование метана соответствует реакции 1-го порядка (1), поскольку численность микроорганизмов-гидролитиков и соответствующих гидролитических ферментов велика, а промежуточные продукты не накапливаются (рис.3).
Рис.3. Упрощенная схема превращения органического вещества в метан. Гидролиз полимеров и метаногенез — лимитирующие стадии анаэробного разложения органического вещества. Гидролиз рассматривается как простая химическая реакция первого порядка, по которой субстрат (полимер) переходит в промежуточный продукт — летучие жирные кислоты (ЛЖК), высокие концентрации которых уменьшают скорость и метаногенеза (ингибирование субстратом), и гидролиза (ингибирование продуктом). В процессе метаногенеза, описываемого классической моделью Моно, метаногенные микроорганизмы превращают ацетат в метан.
Допуская, что превращение субстрата в метан сопровождается появлением лишь одного промежуточного продукта — летучих жирных кислот, мы предложили следующую систему дифференциальных уравнений:
dt
= - kW»(S),
-^т = х ШЯ5') - р ^)кSBS
dB , SB
— = Ур mfm(S)KT^ "
= (1- m/m(S)KBS
где W, S, В — концентрации органического вещества, летучих жирных кислот и метаногенной биомассы соответственно; dP/dt — скорость продукции метана; t — время; k — константа скорости гидролиза; рт — максимальная удельная скорость утилизации летучих жирных кислот; kd — константа скорости распада метаногенной биомассы; х — стехиометрический коэффициент; Ks — константа полунасыщения для утилизации летучих жирных кислот; У — экономический коэффициент. В этой системе утилизация летучих жирных кислот описана традиционной функцией Моно, а гидролиз органического вещества — функцией 1-го порядка по субстрату. Безразмерные функции и /т^) описывают ингибирование метаногенеза и гидролиза высокой концентрацией летучих жирных кислот соответственно.
Очевидно, что отношение начальных концентраций метаногенной биомассы (инокулы, I) и субстрата может сильно повлиять на динамику системы. Если концентрация субстрата велика, а метаногенных микроорганизмов недостаточно, образуется чрезмерное количество промежуточного продукта (например, летучих жирных кислот)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.