Биогазовые установки
Биогазовыми установками называют установки в которых в процессе анаэробного (при отсутствии кислорода) брожжения органических веществ получают биогаз.
Биогаз представляет собой газовую смесь которая примерно на две трети состоит из метана (CH4), на одну треть из диоксида углерода (CO2), а также небольшого количества водорода (H2) , сероводорода (H2S), аммиака и некоторых других примесей.

Технология
Исходное сырьё, например биологические отходы, навоз, шлам, жиры или зелёная масса помещаются в герметично закрытый ферментер и как правило нагреваются и перемешиваются. При этом, в следствии анаэробных процессов, образуется биогаз. В настоящее время биогаз применяется, в основном, для комбинированной выработки электричества и тепла в блочных мини-ТЭЦ. Для этого газовую смесь сушат, подвергают сероочистке и затем подают в газопоршневой двигатель, который приводит во вращение генератор. Произведенный таким образом электрический ток поступает в сеть. Тепло из системы охлаждения двигателя и выхлопных газов отводится посредством теплоносителя для дальнейшего использования. Часть этого тепла (15-30%) необходимо для отопления ферментера, так как бактериальные штаммы отвечающие за разложение биомассы наиболее продуктивны при температурах 37 °С (мезофильные) или 55 °С (термофильные). Остальное тепло может быть использованно различными потребителями. Наиболее эффективны установки с круглогодичным использованием тепла.
В некоторых проектах биогаз обогащается и закачивается в в газопровод. Таким образом возрастают шансы для строительства биогазовых установк на участках не имеющих по близости потребителей тепла. Обогащенный биогаз также может быть использован в качестве топлива в автотранспорте.
Перебродивший остаток применяется в качестве сельскохозяйственного удобрения, он химически менее агресивен, с повышенным содержанием азота и практически не имеет неприятного запаха по сравнению с обычным жидким навозом.

Классификация
1. По технологии получения газа

Для производсва биогаза применяются различные технологические решения. Эти технологические решения можно условно разделить на четыре типичных группы:

По количеству ступеней процесса:
- одноступенчатые
- двухступенчатые
- многоступенчатые

По температурному режиму:
- психофильный (до ≈25 °C)
- мезофильный (от 32 до 42 °C)
- термофильный (от 50 до 57 °C)

По загрузке реактора:
- периодическая
- квазинепрерывная
- непрерывная

По относительному количеству сухого вещества:
- влажная ферментация
- сухая ферментация

2. По принципу применения газа

По принципу применения газа Биогазовые установки можно разделить на три группы:

- Для производства электрической и тепловой энергии (при сжигании в блочных мини-ТЭЦ).
- Для производства тепла (при сжигании в отопительном котле).
- Для производства газа (выделение метана и закачка в газопровод).

3. По используемому сырью

- Сельскохозяйственные биогазовые установки, использующие зеленую массу не подвергшуюся первичной переработке и/или продуктаы выделения сельскохозяйственных животных.

- Коферментационные биогазовые установки, использующие смесь сельскохозяйственного сырья и органических отходов, подвергшихся первичной переработке.

- утилизационные биогазовые установки, использующие в качестве сырья различные биологические отходы, ферментация которых не противоречит санитарно-эпидемиологическим требованиям.

Наиболее часто встречающийся вариант биогазовой установки, это одноступенчатая, мезофильная, квазинепрерывно загружаемая установка влажной ферментации для производства электрической энергии и тепла.

Варианты установок
По причине большого разнообразия применяемого сырья, производимых компонентов, технологических вариантов, расчетных мощностей, местных условий и т. д. возникает необходимость, практически каждую биогазовую установку, проектировать индивидуально. Только установки выполненые с учетом всех специфических факторов, рассчитанные, спроектированные и построенные идивидуально, будут работать стабильно и с максимальной мощностью весь расчётный период эксплуатации.

Анаэробное сбраживание

При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются в отсутствие кислорода. Этот процесс включает в себя два этапа. На первом этапе сложные органические полимеры (клетчатка, белки, жиры и др.) под действием природного сообщества разнообразных видов анаэробных бактерий, разлагаются до более простых соединений: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и окиси углерода, уксусной и муравьиной кислот, метилового спирта. На втором этапе метанообразующие бактерии превращают органические кислоты в метан, углекислый газ и воду.
Первичные анаэробы представлены разнообразными физиологическими группами бактерий: клеткоразрушающими, углеродосбраживающими (типа маслянокислых бактерий), аммонифицирующими (разлагающими белки, пептиды, аминокислоты), бактериями, разлагающими жиры и т.д. Благодаря этому составу, первичные анаэробы могут использовать разнообразные органические соединения растительного и животного происхождения, что является одной из важнейших особенностей метанового сообщества. Тесная связь между этими группами бактерий обеспечивает достаточную стабильность процесса.
Метановое брожение протекает при средних (мезофильное) и высоких (термофильное) температурах. Наибольшая производительность достигается при термофильном метановом брожении. Особенность метанового консорциума позволяет сделать процесс брожения непрерывным. Для нормального протекания процесса анаэробного сбраживания необходимы оптимальные условия в реакторе: температура, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, допустимый диапазон значений рН, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ.
Температура в значительной степени влияет на анаэробное сбраживание органических материалов. Наилучшим образом сбраживание происходит при температуре 30-40оС (развитие мезофильной бактериальной флоры), а также при температуре 50-60оС (развитие термофильной бактериальной флоры). Выбор мезофильного или термофильного режима работы основывается на анализе климатических условий. Если для обеспечения термофильных температур необходимы значительные затраты энергии, то более эффективной будет эксплуатация реакторов при мезофильных температурах.
Наряду с температурными условиями на процесс метанового брожения и количество получаемого биогаза влияет время обработки отходов
При эксплуатации реакторов необходимо проводить контроль за показателем рН, оптимальное значение которого находится в пределах 6,7-7,6. Регулирование этого показателя осуществляется путем добавления извести.
При нормальной работе реактора получаемый биогаз содержит 60-70% метана, 30-40% двуокиси углерода, небольшое количество сероводорода, а также примеси водорода, аммиака и окислов азота. Наиболее эффективны реакторы, работающие в термофильном режиме при 43-52оС. При продолжительности обработки навоза 3 дня выход биогаза на таких установках составляет 4,5 л на каждый литр полезного объема реактора. В исходную массу для интенсификации процесса анаэробного сбраживания навоза и выделения биогаза добавляются органические катализаторы, которые изменяют соотношение углерода и азота в сбраживаемой массе (оптимальное соотношение C/N=20/1-30/1). В качестве таких катализаторов используются глюкоза и целлюлоза.
Получаемый при брожении биогаз имеет теплоту сгорания 5340-6230 ккал/м3 (6.21-7.24 кВт.ч/ м3).
В бродильных камерах необходимо проводить энергичное перемешивание для предупреждения образования в верхней части слоя всплывающего вещества. Это значительно ускоряет процесс брожения и выход биогаза. Без перемешивания для получения такой же производительности объем реакторов должен быть значительно увеличен. Отсюда следствие - большие затраты и удорожание установки.
Перемешивание осуществляется:
- механическими мешалками различной формы или погружными насосами с приводом от электродвигателя,
- гидравлическими насадками за счет энергии струи, перекачиваемого насосом сбраживаемого навоза, или рециркуляцией,
- избыточным давлением биогаза, пропускаемого через барботер или трубку, расположенную в нижней части редуктора.
Остаток, образующийся в процессе получения биогаза, содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения. Состав остатка, полученного при анаэробной переработке животноводческих отходов, зависит от химического состава исходного сырья, загружаемого в реактор. В условиях, благоприятных для анаэробного сбраживания, обычно разлагается около 70% органических веществ, а 30% содержится в остатке.
Основное преимущество анаэробного сбраживания заключается в сохранении в органической или аммонийной форме практически всего азота, содержащегося в исходном сырье.
Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание остатка и устранение патогенных микроорганизмов.
Жидкая фаза навоза после анаэробной переработки обычно отвечает требованиям, предъявляемым к качеству сточных вод органами охраны природы. Отработанная жидкая органическая масса поступает через выгрузочную камеру в резервуар сброженной массы, а оттуда перекачивается в цистерны, с помощью которых вносят на поля обычную навозную массу.