Криобиологические сосуды > Энергия и биотехнология > Получение метана в анаэробных условиях

Получение метана в анаэробных условиях


При переработке сырья в анаэробных условиях получается смесь газов — метана и углекислоты, которые образуются в ре­зультате разложения сложных субстратов при участии смешан­ной популяции микроорганизмов разных видов. Поскольку ис­комый продукт — это газ, сбор его не составляет труда: он про­сто выделяется в виде пузырьков. Впрочем, иногда при более сложных способах его использования или распределения по тру­бам возникает необходимость в очистке от примесей или в ком­прессии.
В анаэробном реакторе можно перерабатывать самое разно­образное сырье: отходы сельского хозяйства (испорченные рас­тительные или пищевые продукты), стоки перерабатывающих предприятий, содержащие сахар, жидкие отходы, образующие­ся на сахарных заводах или при отжиме пальмового масла, бы­товые отходы, сточные воды городов и спиртовых заводов. Мож­но перерабатывать и специально выращиваемые культуры, включая и экзотические, растущие в пресной или морской воде или на бросовых землях: водяной гиацинт, гигантские бурые во­доросли или слоновью траву.
Весьма важно, что сырье с высоким содержанием целлюлозы (или лигноцеллюлозы) не так просто использовать для иных целей: оно дешево или вообще не имеет коммерческой ценности. Обычно масштабы переработки невелики (в пределах одной фермы или деревни), хотя были разработаны и проекты более крупных установок для переработки стоков или же промышлен­ных отходов. В масштабах государства наибольший вклад в энергетический бюджет страны вносит такая переработка в Ки­тае, где построено около семи миллионов небольших (на одну семью) реакторов.
Неочищенный биогаз обычно используют для приготовления пищи и освещения. Его можно применять как топливо в стацио­нарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Сжатый газ в баллонах пригоден как горючее для машин и тракторов. Его можно подавать в газораспределительную сеть. В послед­нем случае требуется некоторая очистка биогаза: осушка, удале­ние углекислоты и сероводорода. Очищенный биогаз ничем не отличается от метана из других источников, т. е. природного газа или же SNG (синтетический газ, получаемый из угля или водородсодержащего сырья). Хотя в большинстве случаев кон­струкция реакторов рассчитана на получение метана, который используется как топливо, строить такие установки имеет смысл не только для этой цели. Нередко, особенно в развитых стра­нах умеренного пояса, реакторы используют главным образом для переработки отходов.
Установки для производства биогаза по принципу все воз­растающего объема можно сгруппировать следующим образом: 1) реакторы в сельской местности в развивающихся странах (обычно имеют объем 1—20 м3); 2) реакторы на фермах раз­витых стран (объем 50—500 м3); 3) реакторы, перерабатываю­щие отходы промышленности (например, сахарных, спиртовых заводов и т. п., объем 500—10000 м3); 4) свалки бытовых и про­мышленных отходов (объем 1—20*106 м3).
Понятно, что детали технического устройства таких систем могут сильно различаться. Так, существует несколько конструк­ций небольших реакторов — от простейшей бродильной ямы в грунте с фиксированным объемом газа до подземных или полу­подземных баков с металлическим или резиновым накопителем газа с изменяющимся объемом. Эти установки могут работать в режиме полного перемешивания, полного вытеснения, в режи­ме контактных процессов, как анаэробные фильтры или реакто­ры с псевдоожиженным слоем. Конструкция таких устройств оп­ределяется типом перерабатываемого сырья. Задача заключает­ся в том, чтобы не допустить потери микроорганизмов при ра­боте системы. Это достигается либо путем повторного их ис­пользования, либо помещением в реактор поддерживающего субстрата, на котором и растут клетки. Последний способ осо­бенно хорош в случае, когда в реактор поступает раствор с низ­ким содержанием взвешенных частиц.
В развитых странах используется множество разнообразных установок. Это определяется конкретной задачей — очисткой стоков или же достижением нужного качества газа. Среди них есть и небольшие реакторы, мало чем отличающиеся от описан­ных, и крупные установки с приспособлениями для очистки газа, электрогенераторами, компрессорами и очистителями воды. Иногда их строят в составе одного комплекса с другими круп­ными объектами: канализационными станциями, сахарными и спиртовыми заводами, животноводческими фермами и молоко­заводами. В некоторых случаях бывает необходимо провести предварительную обработку или разведение питательного рас­твора. Это делается для оптимизации размера частиц во взве­сях, увеличения глубины переработки или уменьшения токсиче­ского действия высоких концентраций азота.
В тех случаях, когда главной задачей является переработка отбросов, приходится прежде всего механическим способом от­делять крупноразмерную фракцию, например солому и прочее. При применении такого способа, а также при переработке сточ­ных вод предприятий пищевой промышленности отношение со­держания растворенных углеводов к нерастворимым, содержа­щим лигноцеллюлозу веществам существенно увеличивается, и обычно доля твердых частиц бывает небольшой. Вследствие этого скорость подачи раствора в реактор и время удержания уменьшаются. Впрочем, с инженерной точки зрения установка может быть и сложнее, чтобы обеспечить оптимальное взаимо­действие микробов с субстратом.
Чтобы получить наибольший объемный выход продукции с небольшой установки, скорость подачи субстрата должна быть возможно большей, а это в свою очередь связано с поддержа­нием высокой концентрации жизнеспособных бактерий. При этом могут возникнуть сложности как в случае субстратов с высоким содержанием нерастворимых веществ, так и субстра­тов, содержащих много растворимой органики. В первом случае в реакторе накапливаются неразрушаемые или медленно раз­рушаемые вещества, которые в конечном счете будут составлять более 80% твердых веществ в осадке реактора. Во втором — переработка растворенных, полностью разрушаемых веществ приведет к образованию высокоактивного ила, и бактерии бу­дут составлять до 90% осадка. Удержать такой ил в реакторе будет сложно. Впрочем, недавно был предложен ряд конструк­ций, в которых эти проблемы решены. Помимо механического измельчения сырья с успехом применяется неполный кислотный или щелочной гидролиз образующих его частиц либо целлюло-литические ферменты. Еще одно усовершенствование заключа­ется в механическом перемешивании подаваемого сырья с илом. Для этой же цели через реактор повторно пропускают выделив­шийся газ. Перемешивание осадка, содержащего активные бак­терии, или создание тока жидкости может увеличить количество выделяющегося газа в зависимости от того, какой вид сырья используется в процессе.
При решении вопроса об использовании более сложных с ин­женерной точки зрения, усовершенствованных сооружений или же каких-то вариантов процесса в первую очередь надо оценить стоимость их работы. Сегодня из их числа более практичными могут оказаться системы, перерабатывающие отходы (когда за­траты на их обезвреживание высоки), а не те крупномасштаб­ные установки, которые вырабатывают газ как сырье для энер­гетики. Отметим, однако, что наиболее крупные установки для получения биогаза всегда очень просто устроены: это могут быть свалки отходов, в основном бытового мусора. О самой возможности использования метана, образующегося в таких му­сорных кучах, задумались, когда стали искать способы предот­вращения взрывов и пожаров, возникающих в результате выде­ления в них газа. Кислород, оказавшийся в мусоре при образо­вании куч, быстро используется аэробными бактериями и гри­бами, в результате чего условия в них становятся анаэробными. Влажность поддерживается либо просачивающейся дождевой водой, либо грунтовыми водами. Если буферная способность материала достаточна для поддержания нейтральных значений рН, то складываются благоприятные условия для образования метана. Газ выделяется в смеси с СО2. Собирают его при помо­щи труб, проложенных в толще мусора под полотнищами пленки.
Вклад этих технологий в энергообеспечение конкретных ре­гионов в обозримом будущем (скажем, десять лет) в значитель­ной мере будет определяться местными условиями. Они будут зависеть, с одной стороны, от наличия земельных площадей и сельскохозяйственного сырья, а с другой — от доступности неф­ти и газа и цен на них. Важную роль сыграют как новые разра­ботки в области микробиологической технологии, так и инже­нерные решения, нацеленные на повышение эффективности ра­боты таких систем при меньших капитальных вложениях и энер­гопотреблении.