Некоторые проблемы использования биогаза/Some Problems of Biogas Use

Некоторые проблемы использования биогаза

Ажажа В. М., Колобродов В. Г., Соколенко В. И., Хажмурадов М. А., Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина
Волчок И. В., Национальный технический университет сельского хозяйства им. П. М. Василенко, Харьков, Украина

Биогаз содержит 40—80 % метана, 60—20 % диоксида углерода и незначительные количества других газов и паров (Н₂S, Н₂О, N₂, О₂ и т. д.). Образование биогаза в основном происходит при анаэробном разложении органических веществ и в результате жизнедеятельности жвачных животных.

Проблема утилизации органических отходов растительного и животного происхождения весьма актуальна. В жидкой фазе это отходы животноводства и птицеводства (навоз и помет) и городские сточные воды. Имеется значительное количество твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов, содержащих органический компонент. В Украине ТБО размещают на полигонах, а городские сточные воды направляют на станции биологической очистки, где подвергают специальной обработке анаэробным методом. В небольших городах, а также в животноводческих и птицеводческих хозяйствах проблемы обращения с отходами практически не решаются. Вокруг крупных животноводческих и птицеводческих комплексов вода и почва на 3—5 км отравлены продуктами жизнедеятельности животных, которые могут содержать патогенные микроорганизмы, включая сальмонеллу и др.

При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются без доступа кислорода. На первом этапе под действием анаэробных бактерий сложные органические соединения (клетчатка, белки, жиры и т. д.) разлагаются до более простых соединений: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода, оксида углерода, уксусной и муравьиной кислот и др. На втором этапе метанобразующие бактерии перерабатывают органические кислоты в метан, диоксид углерода и воду. Остаток, который образуется в процессе получения биогаза, содержит питательные вещества и может быть использован как удобрение. Состав остатка, полученного при анаэробной переработке отходов животноводческих ферм и птицефабрик, зависит от химического состава исходного сырья, которое загружается в биореактор. При благоприятных условиях и соблюдении оптимальных технологических режимов разлагается около 70 % органических веществ, остаток составляет 30 %. Основное преимущество анаэробного сбраживания — сохранение в органической или аммонийной форме практически всего азота, который содержится в исходном сырье. С точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, для переработки отходов животноводства и птицеводства метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем, т. к. обеспечивает эффективное уничтожение патогенных микроорганизмов.

В сельскохозяйственном производстве накапливается 75 % всех образуемых органических отходов (45 % — в животноводстве и птицеводстве, 30 % — в растениеводстве). В настоящее время не используется около половины побочной продукции агропромышленного комплекса — солома и полова зерновых, стебли и початки кукурузы и сорго, стебли и шелуха подсолнечника, ботва картофеля и овощей, отходы мясомолочной промышленности, животноводческих комплексов и птицефабрик. Расчеты показывают, что в результате метанового брожения навоза от одной коровы может образовываться до 2,5 м³ биогаза в сутки. В городском хозяйстве источники биогаза — городские сточные воды и ТБО. При анаэробном брожении городских сточных вод образуется канализационный (аэрационный) газ, состоящий из 60—65 % метана, 30—35 % диоксида углерода, 2—4 % водорода. Выход канализационных газов со станции переработки, питаемой канализационной сетью и обслуживающей население численностью 100 тыс. чел., может превышать 2 500 м³ в сутки. Биогаз выделяется также при разложении осадков сточных вод. В зависимости от химического состава осадка из 1 м³ может образоваться от 5 до 15 м³ биогаза. В России и странах СНГ на станциях биологической очистки сточных вод ежегодно накапливается около 170 млн м³ осадков, из которых можно получать почти 1,5 млрд м³ биогаза (что эквивалентно 1,2 млн т условного топлива). Значительный источник биогаза (свалочного газа) — ТБО, поскольку в их составе присутствуют 60—80 % пищевых отходов, бумаги, картона, древесины, текстиля и др. При разложении 1 т ТБО образуется 200—600 м³ свалочного газа. До начала его использования должно пройти от 3 до 15 лет после формирования свалочного тела полигона.

Использование свалочного газа затруднено по ряду причин.

1. Его образование в течение года неравномерно. Выделение происходит в основном летом, а зимой, в период отопительного сезона, существенно падает.

2. Свалка представляет собой биохимический реактор со стенками из уплотненной глины, выдерживающими лишь небольшой перепад давления, который не может обеспечить значительную скорость транспортировки свалочного газа к коллектору.

3. Наличие вредных и балластных примесей требует предварительной подготовки свалочного газа перед использованием.

4. С экономической точки зрения свалочный газ выделяется в незначительных количествах (1,0—1,5 м³/год из 1 м³ отходов), в связи с чем использование небольших свалок ТБО невыгодно.

Подобные сложности возникают и при утилизации биогаза из биореакторов (метантенков) для переработки органических отходов. В холодное время года около 50 % получаемого биогаза направляют на поддержание оптимальной температуры метантенка.

Повысить эффективность использования биогаза можно двумя путями:

— улучшить его качество до уровня природного газа, т. е. поднять содержание метана до 96—97 %, что позволит использовать биогаз вместо метана в технологических процессах без реконструкции оборудования;

— разработать оборудование (двигатели внутреннего сгорания, газовые горелки и др.) для работы на биогазе с содержанием метана 50—70 %.

В ННЦ «ХФТИ» более 10 лет проводятся работы по разделению биогаза на основные компоненты. В результате исследований предложены криодистилляционная и несколько адсорбционных технологий разделения. Разработаны эскизные проекты промышленных биогазовых разделительных установок и определены основные направления их использования.

При, казалось бы, очевидной экономической выгоде использования биогаза рассчитать срок окупаемости вложенных средств и прибыль очень трудно. Опубликованные в литературе бизнес-планы представляются не совсем корректными. Во-первых, требуются большие средства на рекультивацию свалок, строительство биореакторов и сбор биогаза в коллектор. Во-вторых, биогазовые разделительные установки имеют очень высокую стоимость. Например, установка производительностью 100 м³/ч, выпускаемая немецкой фирмой «CarboTech», стоит 490 тыс. евро. Стоимость наших биогазовых разделительных установок будет в 3—5 раз ниже. Однако даже такие оптимистические предположения не делают утилизацию биогаза привлекательной с экономической точки зрения.

По нашему мнению, для использования свалочного газа необходимо привлекать средства, получаемые от продажи квот на выбросы парниковых газов в рамках международных проектов совместного осуществления. При оценке экономической эффективности использования биогаза из биореакторов, перерабатывающих органические вещества, необходимо учитывать стоимость всех получаемых продуктов: органических удобрений, метана и диоксида углерода. Только при этих условиях просматривается экономическая выгода от использования биогаза и возможность привлечения инвестиций в подобные проекты.

Azhazha V. M., Kolobrodov V. G., Sokolenko V. I., Khazhmuradov M. A., National Scientific Centre «Kharkiv Institute of Physics & Technology», Kharkiv, Ukraine
Volchok I. V., P. М. Vasylenko Kharkiv National Technical University of Agriculture, Kharkiv, Ukraine

Different biogas sources are considered. Efficiency of their usage is analyzed. Possible ways of using different sources with maximum economical efficiency are shown.

Ажажа Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., академик НАНУ, директор, Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Тел./факс: (057) 335-17-39, 335-65-02
Колобродов Виктор Георгиевич, и. о. нач. лаборатории, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Tел. (057) 700-24-98, факс (057) 700-05-71. Е-mail
Соколенко Владимир Иванович, д-р физ.-мат. наук, и. о. нач. отдела, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Tел./факс (057) 700-05-71. Е-mail
Хажмурадов Манап Ахмадович, д-р техн. наук, проф., нач. отдела, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Тел. (057) 335-68-46. E-mail
Волчок Ирина Витальевна, канд. физ.-мат. наук, доц., Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. М. Василенко, ул. Мироносицкая, 92, Харьков, 61000, Украина. Tел. (057) 737-90-92