Образование биогаза

Введение
В настоящее время многие российские компании активно развивают и контролируют производство биогазовых установок различного назначения и назначения. В большинстве стран мира биогазовые технологии стали стандартом для очистки и утилизации муниципальных и промышленных сточных вод, а также для обработки твердых бытовых отходов в сельском хозяйстве с целью производства биогаза для производства тепловой и электрической энергии, а также высокоэффективных органических удобрений.
Увеличение выбросов парниковых газов, увеличение потребления воды и загрязнения, снижение плодородия почв, неэффективное управление отходами и растущие проблемы загрязнения и обезлесения являются результатом нерационального использования природных ресурсов во всем мире. Биогазовые технологии являются важным компонентом в цепочке мер по решению этих проблем и дают прогнозы для развития биоэнергетики.

1. История открытия биогаза
Первое систематическое исследование биогаза было начато итальянским натуралистом Аллесандро Вольта, который среди прочего также занимался исследованием электрического тока, по имени которого была названа единица измерения электрического напряжения «вольт». В 1770 году Вольту удалось поймать болотный газ в отложениях озер на севере Италии, после чего он провел эксперименты по сжиганию этого газа. Английский физик Фарадей также экспериментировал с болотным газом и идентифицировал его как углеводород. Лишь в 1821 году исследователю Авогадро удалось установить химическую формулу метана (CH4). В 1884 году известный французский бактериолог Пастер провел эксперименты с биогазом, который он выделил из твердого навоза. Прежде всего, он предложил использовать биогаз из конюшен в Париже для извлечения биогаза для уличного освещения. Очень сильным стимулом для развития технологии стало открытие анаэробного распада после того, как открытие произошло в конце 19-го века: эти сточные воды могут быть обработаны таким образом. В 1897 году в Бомбее (Индия) был построен первый объект в больнице для больных проказой, чей газ использовался для освещения, а в 1907 году - для вращения двигателя для выработки электроэнергии.
В1906, в Германии, в Рурской области, инженер с очистных сооружений Имхофф начал систематическое строительство анаэробных двухступенчатых очистных сооружений с названием «колодец Эмшера». Первоначально название Эмшер было рекой, созданной в результате мелиоративных работ на рудниках Эмшер, которые затем превратились во время интенсивного промышленного развития в канализацию, которая снабжала большую часть региона.
До начала Второй мировой войны использование канализационных газов быстро распространялось. Чтобы ускорить процесс гниения, были разработаны плавающие газовые баллоны в форме колокола, мощные смесители и системы отопления. Продажа «очищенного» биогаза для компаний была очень востребована. В течение этого времени проводились эксперименты по очистке газа от воды, двуокиси углеводов и сероводорода, чтобы упаковать его в железные баллоны и использовать в качестве топлива для транспортных средств. Перед Второй мировой войной и в течение всей войны в Германии, в контексте возросшего спроса на «газовое топливо», они пытались увеличить производство сточных вод, добавляя твердые органические отходы, т.е. они использовали метод, известный сейчас как ферментация. В 1940 году в городе Штутгарте впервые удалось успешно смешать выделенный жир. По инициативе Имхоффа в Галле были проведены эксперименты с отходами корня солодки, каньона, лигнина, растительных и зерновых отходов. Было обнаружено, что лигнин производит 19 литров газа на килограмм сухого веса, каныга 158 л / кг и корень солодки даже 365 л / кг, однако для последнего время ферментации составляло 45 дней. Очень подробные эксперименты по ферментации были выполнены доктором Францем Попелем. Органические бытовые отходы были добавлены в эксперимент. Шнелл дает очень хороший исторический обзор развития технологий производства биогаза в своей работе «Биогаз, шанс, который давно упущен».

2. Образование биогаза
Биогаз производится путем разложения органических веществ бактериями. Различные группы бактерий разлагают органические субстраты, которые в основном состоят из воды, белков, жиров, углеводов и минералов, в их основные составляющие - углекислый газ, минералы и воду. Метаболит представляет собой газовую смесь, называемую биогазом. Горючий метан (СН4) имеет долю от 5 до 85% и является основным компонентом биогаза и, следовательно, основным компонентом, содержащим энергию.
Такой естественный процесс разложения возможен только в анаэробных условиях, т.е. только при отсутствии проникновения кислорода. Этот процесс раложения также называется гниением - его можно наблюдать в болотах, озерах, болотах и т. д. Когда кислород присутствует в такой среде, другие бактерии разлагают органическое вещество. В этом случае процесс называется компостированием. Другими естественными процессами разложени являются: горение, пищеварение или ферментация.
Энергия, выделяемая анаэробным процессом, не теряется в виде тепла во время компостирования, а превращается в молекулы метана благодаря активности метановых бактерий. Процессы распада известны очень давно, они уже происходили, когда наша атмосфера имела совершенно другой состав. Метановые бактерии являются одними из старейших и наиболее приспособленных живых существ на планете Земля. Процессы гниения широко распространены: в грязевых отложениях океанов, рек и озер, в болотах, в порах почвы, где кислород не проникает, на свалках мусора, в навозных кучах, в отстойниках навоза, в районах выращивания риса и в кале жвачных парнокопытных (Artiodactyls) (они производят около 200 литров метана в день). В воде создание метана заметна, в виде поднимающихся к поверхности пузырьков газа. В зависимости от места происхождения говорят о болотном газе, гнилостном газе, канализационном газе, рудном газе, свалочном газе или, как это обычно называют в сельском хозяйстве, биогазе.
По большому счету, биогаз может быть получен в отсутствие кислорода из любого органического вещества. Бактерии должны иметь достаточно времени для обработки плохо разлагаемого материала, как это может быть в случае с древесными растениями. Этот процесс используется при очистке сточных вод с целью разложения органических загрязнителей. Тем не менее, некоторые субстраты лучше всего подходят для такого процесса. Жидкие, мягкие и, как правило, значительные количества собирающих воду субстратов лучше всего подходят для процесса ферментации, поскольку они могут легко противостоять анаэробным условиям, в то время как материал из крупных кусков, таких как древесина, может лучше разлагаться компостированием или иным образом.

3 Свойства биогаза
Газ, содержащийся в биогазовой смеси (биометан), имеет энергетическую ценность 10 кВт на м3 (в расчете на чистый метан) и является тем же газом, что и природный газ. Если газовая смесь преобразуется в электричество с помощью генератора с КПД, например, 35% при валовой мощности 10 кВт, генерируется 3,5 кВт электроэнергии, которая может подаваться непосредственно в электрическую сеть.
Энергия, полученная из биогаза, относится к возобновляемым источникам энергии, так как она поступает из органических возобновляемых субстратов. Фактом является то, что ископаемые виды топлива на Земле испытывают нехватку и острую потребность в альтернативных источниках энергии, что придает еще большее значение производству биогаза из биогазовых установок. Кроме того, использование биогаза в энергетическом секторе не увеличивает уровни углекислого газа (CO2) в атмосфере, поскольку выделяемый углекислый газ находится в естественном круговороте углерода и потребляется растениями в течение вегетационного периода.
Однако у биометана также есть свои недостатки: когда он попадает в воздух, он медленно разлагается под воздействием солнечного света на углекислый газ, воду, озон и так называемые радикалы (молекулы HO, которые быстро реагируют). Метан является наиболее распространенным загрязнителем воздуха после углекислого газа и вызывает парниковый эффект. Кроме того, он поглощает озон во время окисления и тем самым способствует увеличению озоновой дыры в стратосфере

. В чрезвычайных ситуациях газ сжигается до безвредного углекислого газа с помощью газовой вспышки, способствующей более чистой окружающей среде.
До индустриализации производство метана и его разложение находились в равновесии. Этот баланс сегодня в значительной степени нарушен: уголь, нефть и природный газ выделяют большое количество несгоревшего метана в атмосферу. Кроме того, во всем мире существует большое количество биогаза, получаемого из выращивания риса и животноводства.

4 Экономически выгодное строение биогазовой установки
Фермеры, которые строят биогазовые установки, обычно преследуют одну и ту же цель: производство энергии. Кроме того, выгоды могут быть получены из других положительных факторов: доступность сырья, неисчерпаемость сырьевой базы, обеспечиваемая ростом сельскохозяйственного производства и объема продукции пищевой промышленности, обеспечивает утилизацию отходов животноводства и органических отходов и т. д. Для любой компании перечисленные преимущества могут иметь собственное значение. Поэтому можно поспорить о приоритете. Уменьшение неприятных запахов при достаточном разложении субстрата является важным аргументом для фермеров, чьи районы расположены в густонаселенных регионах. Иногда при строительстве биогазовой установки обычно начинается увеличение размера фермы (увеличение поголовья скота). Иногда неприятные запахи являются причиной демонстраций против строительства биогазовых установок.
Фермеры и крупные хозяйства, использующие биогазовые технологии, преследуют следующие основные цели:
производство высококалорийной энергии;
производство высококачественных удобрений;
уменьшение интенсивности запахов;
уменьшение агрессивного разъедающего действия;
улучшение показателей текучести;
уменьшение загрязнения воздуха аммиаком и метаном;
предотвращение потери питательных веществ;
уменьшение вымывания нитратов;
лучшая приспособляемость к потреблению растениями;
улучшение здоровья растений;
гигиенизация гноя;
уменьшение способности к прорастанию у семян сорняков;
переработка органических отходов;
экономия на затратах подключения к канализации;

С экологической точки зрения, органические компании представляют большой интерес для переработки азота в хранимое вещество путем ферментации. Аргументом в пользу строительства биогазовой установки также может быть создание рабочего места для будущего владельца фермы. Например, для фермы может быть важно ввести свои сточные воды в биогазовую установку вместо подключения дорогих канализационных объектов.
При строительстве биогазовой установки следует учитывать следующие аспекты:
:
С помощью биогазовой установки нельзя оздоровить предприятие, переживающее кризис. Биогазовые установки, однако, могут помочь поддержать эффективным предприятиям оставаться такими же эффективными.
Инвестиция в биогазовую установку связана с долгосрочным капиталовложением. Поэтому строительство установки должно быть хорошо рассчитано с учетом перспективы.
В связи с возрастанием количества биогазовых установок, в некоторых регионах возникает нехватка посадочных площадей для выращивания субстрата, что в свою очередь увеличивает цену аренды земли. Для владельцев установок, непосредственно зависящим от аренды либо покупки сырья - это значит большой риск. Поэтому важно провести расчеты по долгосрочному доступу к сырьевой базе.
Рентабельность установок, несмотря на высокое вознаграждение за выработанную энергию все равно легко потерять. Поскольку покупка электроэнергии является негарантированной. Кроме затрат на сырье и цены за аренду, решающее значение может иметь и использование тепла. Поэтому стоит разрабатывать концепции с высокой эффективностью использования тепловой энергии.
Метановые бактерии требуют к себе такого же самого внимания как животные в хлевах. Это значит, что успешная эксплуатация биогазовой установки требует специальных знаний. Именно поэтому стоит уделять внимание образованию и повышению квалификации обслуживающего персонала, созданию у него соответствующей заинтересованности.
Эксплуатация невозможна без надзора и проведения профилактических работ. Кто не готов, в зависимости от типа и размера установки, ежедневно минимум 1 час тратить на установку, тому лучше не браться за это дело.
С учетом этих обстоятельств биогазовая установка может быть интересной и целесообразной при следующих условиях:
Законодательно урегулированная оплата электрического тока с биогаза и цены на электроэнергию, которая на сегодняшний день понижается: то есть это выгодно тогда, когда собственная цена за электричество является выше чем цена для продажи; в дальнейшем невыгодным становится преодоление или сглаживание «пиковых периодов» потребления, которые, однако, можно перекрывать с помощью биогазовых установок.
Необходимо иметь навоз минимум от 100 голов КРС.
Большая часть самостоятельно выполненных работ при строительстве помогает снизить потери и может существенно улучшить рентабельность и предоставит необходимые для будущего знания, которые пригодятся для устранения неполадок.
Для установок, работающих лишь на возобновляемых ресурсах полезно иметь большие собственные площади для выращивания энергетических растений с целью избегания рисков, связанных с ценой аренды земли. Установка, работающая преимущественно на приобретаемом сырье либо на арендованной земле, может минимизировать эти риски путем заключения долгосрочных договоров про поставку и аренду.
Если есть возможность дешево и на протяжении длительного времени получать соответствующие продовольственные отходы, то это может значительно повлиять на рентабельность установки и сэкономить на покупке удобрений. Рентабельность установки не должна пребывать в зависимости от поступления субстратов или, по крайней мере, должна быть гарантирована долгосрочными контрактами.
Коммуны и фирмы, имеющие проблемы с утилизацией жидких органических отходов, могут их решить с помощью биогазовой техники.
Если есть потребность в установке резервуаров для навоза, то их с успехом можно использовать для производства биогаза.
Фермеры, имеющие проблемы с эмиссией неприятных запахов при хранении и вывозе гноя на поля, могут иметь большую выгоду от биогазовой установки.
Площади сельскохозяйственного применения на территориях проведения водозабора могут легче защититься от попадания нитратов в грунтовые воды.
Фермеры, работающие в секторе экологического сельского хозяйства, безотходного хозяйства, длительного использования сельскохозяйственных ресурсов, защиты окружающей среды - получат в свое распоряжение наилучший инструмент для этого.

5 Время брожения биогаза
Время гидравлической ферментации - это время, в течение которого субстрат теоретически находится в ферментере. Для полностью смешанных ферментеров это среднее значение. В ферментере, где движение субстрата происходит как движение одной трубки (тромба), теоретическое время ближе к фактическому времени ферментации, поскольку большая часть включенного субстрата проталкивается через весь ферментер в виде трубки. Следовательно, одни и те же субстраты во всей системе смешивания требуют более длительного времени ферментации, чем в системах с горизонтальным потоком.
Время ферментации субстрата в ферментере рассчитывается на основе разлагаемости субстрата. Легко разлагаемые требуют более короткого времени, чем трудно разлагаемые субстраты.
Единицей измерения минимального времени разложения в ферментере является время генерации соответствующих видов бактерий. Поскольку, если время ферментации выбрано настолько коротким, что у них нет времени удваивать свою бактериальную массу, чистая бактериальная масса в ферментере соответственно теряется, и образование газа уменьшается. Некоторым бактериальным группам может потребоваться до 10 дней, чтобы удвоить их бактериальную массу, что является нижним пределом времени, необходимого для ферментации.
Верхний предел времени для ферментации определяется технико-экономическим видением. Наступает момент, когда количество добываемого газа настолько мало, что увеличение объема ферментера обходится дороже, чем добываемого газа.
Время ферментации субстрата в ферментере, наряду с температурой ферментации, оказывает большое влияние на степень разложения, выход газа и производство газа