Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І. та ін. Біотехнологія

Подождите немного. Документ загружается.

щитами. Щоб зменшити втрати тепла, стінки і днище вигото

вляють з теплоізоляційним прошарком.

Працює установка таким чином: в метантенк через горлови

ну заливають попередньо підготовлений рідкий гній вологістю

88–92 %. Аеробний ферментер через верх заповнюють підстил

ковим гноєм або сумішшю гною з пухким сухим органічним

наповнювачем (солома, тирса) вологістю 65–69 %. При подачі

повітря через технологічний канал у ферментері починає роз

кладатись органічна маса і виділяється тепло, яким підігрі

вається біомаса у реакторі. Одержаний біогаз накопичується у

верхній частині метантенка і через патрубок його використову

ють для побутових потреб. Така установка окупить себе уже че

рез рік тільки за рахунок утилізації відходів в особистому гос

подарстві.

Для підігріву ферментера використовується також ефект

теплиці. Над ємністю (реактором) споруджується металевий

каркас, який накривають поліетиленовою плівкою. За нес

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

500

Рис. 22.4. Схема біогазової установки з підігрівом:

1 — ферментер; 2 — дерев'яний щит; 3 — заливна горловина;

4 — метантенк; 5 — мішалка; 6 — патрубок для відбору біогазу;

7 — теплоізоляційний прошарок; 8 — решітка; 9 — зливний кран для

переробленої біомаси; 10 — канал для подачі повітря; 11 — повітродувка

приятливих погодних умов вона зберігає тепло і дозволяє по

мітно прискорити процес розкладання сировини. Для забезпе

чення оптимальних умов процесу біометаногенезу гній можна

змішувати з гарячою водою (якщо дозволяє вологість).

В колишньому Радянському Союзі була розроблена індиві

дуальна біогазова установка (ІБГУ1) для селянської сім’ї, яка

має від 2 до 6 корів або 20–60 свиней, або 100–300 голів птиці

(рис. 22.5). Установка щодобово може переробляти від 100 до

300 кг гною і виробляти 3–12 м

біогазу. Для приготування їжі

на сім’ю з 3–4 чоловік необхідно спалити 3–4 м

біогазу на добу,

а для опалення будинку площею 50–60 м

– 10–11 м

біогазу.

Установка може працювати в будьякій кліматичній зоні.

Серійне виробництво ІБГУ1 було налагоджено на заводах у

містах Тулі та Орлі.

Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...

501

Рис. 22.5. Схема індивідуальної біогазової установки ІБГУ1:

1 — заливна горловина; 2 — мішалка; 3 — патрубок для відбору газу;

4 — теплоізоляційний прошарок; 5 — патрубок з краном для вивантаження

переробленої маси; 6 — термометр

7500

Наведені конструкційнотехнологічні схеми найпрості

ших біогазових установок можуть використовуватися в Укра

їні цілорічно у південних регіонах та посезонно в інших обла

стях.

БГУ другого рівня — є більш продуктивними та еконо міч

но вигідними. В них передбачено підігрівання і перемішування

зброджуваної біомаси, а за необхідності – й подрібнення. Уста

новкою такого типу є модель «Дормштадт». У ній з 1 м

об’єму

метантенка одержують біогазу вчетверо більше, ніж у БГУ

«Габор», тобто 1,2–2 м

. Однак установка має конструкційні не

доліки: недостатня тепло і гідроізоляція, викликана заглиблен

ням реактора в грунт, можливість утворенння застійних

зон при перемішуванні біомаси і додаткові енергетичні витрати

на руйнування плаваючої кірки, яка утворюється на всій по

верхні бродильної камери при виділенні біогазу.

БГУ третього рівня. Це установки, виготовлені в Німеч

чині: Ліпп, Райки, Біма, МББ; вітчизняні – Кобос1, Біогаз301,

УкрНДІагропроект; Енбом – Фінляндія та ін. (рис. 22.6). У них

передбачені конструкційні зміни – двокамерний реактор, а в де

яких – двокамерний газгольдер. Це дало можливість проводити

двоступінчасте метанове бродіння біомаси: перший ступінь –

перший та другий етапи біометаногенезу, тобто зброджування

органічних речовин до ацетату в першій камері, та другий сту

пінь – власне метанове бродіння у другій камері.

Крім цього, конструкцією німецьких БГУ (Ліпп, Райки,

МББ, Біма) передбачені також різні температурні режими в

різних камерах. У першій камері, куди надходить підготовлена

до зброджування підігріта біомаса і де проходить процес утво

рення органічних кислот, підтримується температура 35

С.

У другій камері, яка розміщена в центрі метантенка, проходить

термофільний процес. Такі конструктивні вдосконалення

дозволили збільшити продуктивність біогазових установок і

одержати 7 м

біогазу з розрахунку на 1 м

корисного об’му ре

актора.

Вітчизняна БГУ «Кобос1» – це комплект обладнання для

анаеробного зброджування гною з одержанням товарного біога

зу і високопоживних органічних добрив. Він складається з реак

тора, підігрівачавитримувача, газгольдера, помп, компресора і

водогрійного котла (рис. 22.7).

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

502

Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...

503

Рис. 22.6. Деякі різновидності біогазових установок, які нині

експлуатуються у Німеччині:

а — Біма; б — Ліпп; в — еластичні реактори; г — загальний вигляд біогазового

виробництва; д — Дормштадт

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

504

Рис. 22.7. Технологічна схема комплекса обладнання «Кобос1»

(за Погорілим Л.В., Луценко М.М, 1992):

1 — ферма; 2 — помпа для рідкого гною; 3 — колектор; 4 — подрібнювач; 5 —

підігрівачвитримувач; 6, 9 — гнойові помпи; 7 — гвинтова помпа;

8 — реактори; 10 — дугове сито; 11 — пресфільтр; 12 — цистернарозкидувач;

13 — гноєсховище; 14 — помпа; 15 — зрошувальна система;

16 — транспортер; 17 — візок; 18 — компресор; 19 — газгольдер;

20 — котел; 21 — трактор, який працює на біогазі

Кобос1 розрахований для використання на фермах і ком

плексах великої рогатої худоби на 400 голів або 4000 голів свиней

і має два реактори ємністю по 125 м

кожен. Для комплексів на

600 і 800 голів кількість реакторів збільшується. Конструкцією

БГУ передбачено двоступінчасте метанове бродіння.

Гній з ферми надходить на подрібнювач, де руйнуються

довговолокнисті домішки (солома, гичка), а потім поипою пода

ється в першу камеру – підігрівачвитримувач ємністю 25 м

. Це

циліндричний резервуар з теплообмінником, який є замкнутою

системою за принципом «труба в трубі», де гній підігрівається

до температури 40

С. У цій камері проходить гідроліз високо

молекулярних сполук до низькомолекулярних і утворення ор

ганічних кислот, діоксиду вуглецю, аміаку та ін. З підігрівача

витримувача помпоюдозатором гній періодично (4 рази на

добу) подається в реактор, де проходить остаточне перетворен

ня органічних речовин на біогаз.

Підтримування необхідної мезофільної температури (+40

С)

на постійному рівні, компенсація теплових витрат в реакторах і

камері забезпечується за допомогою теплообмінних пристроїв,

через які подається гаряча вода (70

С), яку одержують при спа

люванні біогазу.

За основними якісними і кількісними показниками «Кобос1»

не поступається зарубіжним аналогам, а за такими, як продук

тивність за зброджуваною масою, виходом біогазу та тривалі

стю зброджування (5 діб) навіть має переваги.

Установка «Біогаз301» (Сумське машинобудівне НВО)

призначена для утилізації й знезараження відходів ферм з пого

лів’ям 3000 свиней. Вона є складовою частиною ферми. Техно

логічний процес здійснюється в конкретних анаеробних умовах

у двостадійному режимі при температурі 40

С і циклом збро

джування 8 діб.

БГУ четвертого рівня. В них передбачено автоматичне ре

гулювання процесу анаеробного зброджування за програмою

ЕОМ.

Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...

505

22.3.4. Фракції, що утворюються в процесі біометаноге

незу

Принципова схема виробництва біогазу передбачає наступ

ні етапи:

1) накопичення і підготовка біомаси;

2) трансформація біомаси в біогаз (безпосередньо метано

ве бродіння);

3) раціональне використання продуктів метанового бро

діння (біогазу та органомінерального добрива).

При утилізації біомаси будьякого походження шляхом

анаеробної ферментації утворюються такі фракції:

1) біогаз (суміш газів);

2) нерозщеплені мікроорганізмами органічні речовини

(тверда фракція або шлам) вологістю 65–70 %;

3) рідка фракція або надосадова рідина.

Біогаз, утворений у ферментаційній камері, як більш лег

кий, накопичується над масою, що ферментується, звідки тру

бопроводами відводиться у газовий резервуар (газгольдер).

Поділ біомаси після зброджування на тверду і рідку фракції

можна проводити за допомогою центрифуги або віброгрохота.

В середньому з 1 кг органічної речовини, біологічно розкла

деної на 70 %, можна одержати 0,5 кг біогазу, 0,2 кг води і 0,3 кг

нерозщепленого залишку або шламу.

22.3.4.1. Біогаз, його склад та використання

Біогаз – це суміш газів, яка складається з метану (50–85 %),

діоксиду вуглецю (15–50 %), невеликої кількості сірководню (до

2 %), а також домішок водню, аміаку, оксидів азоту. Головним

компонентом біогазу є метан. Присутність діоксиду вуглецю об

межує теплоутворюючу здатність біогазу як палива, що залежно

від співвідношення СН

/СО

досягає 20,9–33,4 МДж/м

Енергетична цінність 1 м

біогазу, який складається на 50 %

з метану, досягає 17,8 МДж, а при збільшенні вмісту метану до

70 %, його енергетичний потенціал підвищується до 25 МДж.

Енергетична цінність таких традиційних енергоносіїв, як при

родний газ і рідке паливо, з розрахунку на 1 м

і 1 кг складає 34

і 42 МДж відповідно.

Основними домішками в біогазі, які знижують його якість, є

діоксид вуглецю і сірководень. При використанні біогазу як

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

506

пального вони (особливо сірководень) викликають значну коро

зію технологічного обладнання. Для очищення біогазу від заб

руднюючих домішок, використовують такі методи, як сухе, «мо

кре» і лужне очищення, рідинну абсорбцію і напірну сепарацію.

Для підвищення економічної ефективності потужних БГУ

промислового типу використовують водяні газоочисники, які

збільшують питому вагу метану в біогазі до 95 %. Це сприяє

підвищенню теплоутворюючої здатності біогазу майже удвічі.

Ефективність використання біогазових установок визнача

ють методами перетворення одержаного біогазу як енергоносія.

Можна визначити такі напрями використання біогазу:

– спалювання в котельних агрегатах для нагрівання води та

використання її у технологічному процесі або іншими спо

живачами;

– підготовка біогазу відповідно до вимог нормативнотехніч

ної документації та подавання його в газорозподільні мере

жі місцевих споживачів природного газу (змішування з

природним газом);

– очищення, висушування, стиснення і заправлення біогазом га

зобалонних автомобілів, тракторів та інших сільгоспмашин;

– вироблення електроенергії.

Біогаз має усі переваги, що властиві природному газу. Він

легко транспортується газопроводами, згоряє без диму, кіптяви

й залишку (попелу, шлаку). Прилади, які працюють на газі, про

сті, безпечні, швидко вводяться у дію, легко регулюються і пере

водяться в автоматичний режим.

Біогаз може використовуватися безпосередньо в газоспа

лювальних пристроях для опалення і освітлення, для постачан

ня енергією кормопідготовчих цехів, стерилізації й зневоднення

твердої фракції гною після сепарування, для двигунів внутріш

нього згоряння тощо.

Найпростіше спалювати біогаз замість природного газу в га

зових горілках, до яких він може підводитись з резервуара (газ

гольдера) під низьким тиском. Більшість сучасного теплотехніч

ного обладнання тваринницьких ферм, яке працює на

природному або зрідженому газі, може бути переведена на біогаз

без суттєвих модернізацій і помітного зниження ефективності

роботи. Промисловість США, Німеччини та інших країн розпо

чали постачання калориферів з біогазовими горілками, а також

теплових генераторів, які використовують біогаз як пальне.

Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...

507

Але вигідніше використовувати біогаз для одержання меха

нічної та електричної енергії. Це дасть можливість створити

власну енергетичну базу, яка може забезпечити потреби тва

ринницької ферми і навіть житлового сектора. З 1 м

біогазу

можна отримати 1,6–2,3 кВт/год електроенергії.

Італійська фірма «Фіат» розробила універсальний енерго

блок «Тотем», який працює на будьякому виді палива, в тому

числі й на біогазі. Енергоблок складається з комплекта, до скла

ду якого входить дизель, електрогенератор, теплообмінник, що

акумулює тепло вихлопних газів, двигуна внутрішнього згорян

ня та подає його на теплотехнічні потреби. Загальний коефіці

єнт корисної дії (ККД) з урахуванням тепла, яке утворюється

при виробництві електроенергії, досягає 80–85 %, а безпосе

редньо на електроенергію перетворюється 33 % хімічної енергії

біометану.

Біогаз використовується також як пальне для автомобіль

них двигунів, причому ефективність його в цьому випадку зал

ежить від вмісту метану і наявності домішок. На метані можуть

працювати як карбюраторні, так і дизельні двигуни. Та оскіль

ки метан є високооктановим пальним (октанове число цього

пального 110–115, а нижня межа спалаху – 645

С), ефективні

ше використовувати його у дизельних двигунах.

Промисловістю випускаються пристрої для двигунів вну

трішнього згоряння, які можуть працювати як на бензині, так і

на метані. Використання метану в автотранспорті має деякі пе

реваги: порівняно низька вартість, значно менше забруднення

навколишнього середовища порівняно з бензином і дизельним

пальним.

Установки метанового бродіння є особливо перспективни

ми для енергозабезпечення сільської місцевості через склад

ність централізованого постачання природного газу та в умовах

поступового вичерпування традиційних енергетичних ресурсів

(нафти, газу, вугілля тощо). У сільській місцевості біогаз може

використовуватись як замінник природного газу для приготу

вання їжі, забезпечення гарячою водою, опалення житлових

приміщень і адміністративних будинків, обігрівання теплично

парникового господарства, сушіння зерна і фруктів, газопоста

чання автотракторного парку тощо. За підрахунками фахівців

1 м

біогазу дає можливість приготувати обід на 6–7 осіб або ос

вітлювати приміщення середніх розмірів протягом 6–8 годин.

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

508

1 м

біогазу еквівалентний енергії, яка міститься в: 0,65 м

природного газу, 0,7 л нафти, 0,65 л дизпального, 0,64 л бензи

ну, 0,6 л гасу, 3,5 кг дров та 1,5 кг кам’яного вугілля.

В деяких випадках здійснюється комплексна утилізація

біогазу: частина його скеровується на задоволення енергетич

них потреб господарства, в тому числі для забезпечення енерге

тичних потреб самого процесу метанового бродіння (підігрів ре

актора), а залишок продається комерційно в місцевій або

загальнонаціональній системі газозабезпечення. Прикладом та

кого використання є постачання газу до м. Чикаго (США), ор

ганізоване компанією Calorific Recovery Anaerobic Process, пе

реробне підприємство якої знаходиться поблизу м. Гаймон

у штаті Оклахома. Щоденно на підприємстві переробляється

500 т гною, з якого одержують 45,3 тис. м

біогазу. Цієї кілько

сті вистачає для опалення 3,5 тис. житлових приміщень в Чика

го. Постачання газу здійснюється за допомогою спеціально

побудованого газогону. Біогаз, який надходить, складається на

99,8 % з метану після попереднього очищення від діоксиду

вуглецю, сірководню та інших домішок.

На думку деяких авторів, одержання біогазу з тваринницьких

відходів і використання його на потреби сільського господарства

дозволить на 3–4 % скоротити використання інших видів енергії.

Крім цього, діоксид вуглецю, який міститься в біогазі, може

бути використаний як консервант для кормів, для підвищення

ККД фотосинтезу в теплицях та при вирощуванні гідробіонтів

(хлорели, спіруліни) тощо.

22.3.4.2. Шлам, його склад та використання

Тверда фракція гною або шлам, який утворюється в проце

сі одержання біогазу, містить значну кількість поживних речо

вин і може використовуватись як цінне знешкоджене органічне

добриво або кормові добавки. Він не має специфічного запаху.

Анаеробна ферментація гнойової біомаси супроводжується

зменшенням у шламі майже на 50 % сухої органічної речовини

порівняно з вихідним гноєм за рахунок включення 10–15 %

вуглецю субстрату в мікробну масу, а також у такі компоненти

біогазу, як метан і діоксид вуглецю.

Склад шламу залежить від хімічного складу вихідної сиро

вини, а також параметрів процесу біометаногенезу. До органіч

ної частини шламу входять речовини трьох видів:

Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...

509