Огромното количество отпадъци, генерирани ежедневно, и все по-трудното справяне с тях е един от основните екологични проблеми. В тази връзка в редица държави са въведени програми за устойчиво управление на отпадъците и тяхната преработка. Много от използваните методи като депонирането, например, се считат за неподходящи в съвременните условия. Контролираното извозване на отпадъците върху сметища, както и изгарянето на органичните суровини също не се причисляват към най-добрите методи за обработка. Съвременните тенденции при управлението на отпадъците са насочени предимно към преработването и полезното оползотворяване на отпадъците, като се включват не само отпадъците, които могат да бъдат рециклирани, а и органичните. Преработването на хранителните вещества и органичната материя обикновено се свързва с използването им за производство на енергия. Сред често използваните възможности е производството на биогаз от органични отпадъци чрез тяхното анаеробно разграждане. По този начин различни отпадъци от органичен произход, както и течен и твърд оборски тор, биват преобразувани във възобновяема енергия и органичен тор, подходящ за употреба в селското стопанство. В България площадките за депониране на отпадъци, както и земеделските стопанства, се считат за много подходящи за ситуиране на централи за производство на биогаз. Изграждането на съоръженията за производство на биогаз в непосредствена близост до сметищата или в самите промишлени или земеделски цехове, от своя страна, дава възможност да се ограничат транспортните разходи.
Фази на анаеробното разлагане
Анаеробното разлагане е процес, при който органичната материя се разгражда от определени бактерии в среда без кислород. По време на този процес се обработва органична материя от отпадъци, включващи биомаса от растителни и животински произход. От една страна, това спомага за запазване на околната среда чиста, а от друга – се получава метан, който се причислява към възобновяемите енергийни източници. Страничният продукт от процеса е получаването на твърда утайка, която се счита за подходяща за използване като средство за наторяване.
Принципно, протичането на процеса на анаеробно разграждане може да бъде разделено на четири фази – хидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза. По време на хидролизата отделените ензими от ферментационните бактерии (екзоензими) преобразуват комплексния, неразтворен материал в по-малко комплексни, разтворени компоненти. Те могат да преминат през стените на клетките и мембраните на ферментационните бактерии. Процесът включва хидролиза на протеини, хидролиза на полизахариди и хидролиза на мазнини.
Във втората фаза – ацидогенезата, разтворените компоненти, присъстващи в клетките на ферметационните бактерии, се преобразуват в множество прости компоненти. Тази фаза включва анаеробно окисляване на аминокиселини и захари и анаеробно окисляване на високомастни киселини и алкохоли. Образувалите се съединения включват летливи мастни киселини (ЛМК), алкохолна, млечна киселина, СО2, Н2, NH3 и H2S, както и нова клетъчна материя.
Третата фаза – ацетогенезата, която представлява междинно киселинно производство, е фаза, при която продуктите на разграждането се превръщат в ацетат, водород (Н2 и СО2), както и в нова клетъчна материя. По време на тази фаза протичат два процеса – образуване на оцетна киселина и Н2 от междинни продукти (в частност летливи мастни киселини) и хомоацетогенеза. Вторият процес включва образуването на оцетна киселина от Н2 и СО2.
Последната фаза е метаногенезата, при която ацетатът, водородът плюс карбонатът, формиатът или метанолът се превръщат в метан, СО2 и в нова клетъчна материя. Двете подфази на метаногенезата включват образуване на метан – от оцетна киселина, както и от водород и въглероден диоксид. Първата подфаза или т. нар. процес киселиногенеза, включва процеси на микробиологично разграждане, в които органичните съставки служат както като донор на електрони, така и като приемник. В анаеробния киселинен ферментационен процес разтворените комплексни органични компоненти се превръщат основно в летливи мастни киселини.
Процесът на разграждане на органичните вещества се влияе силно от характеристиките на веществата като състав, температура, влажност, рН на средата, доза на натоварване на изгнивателното съоръжение, разбъркване на утайките и др. Известно е, че най-лесно и пълно се окисляват въглехидратите. Много по-трудно се окисляват мазнините, а най-трудно – лигнинът и нефтът.
Биореакторите
Сред най-често използваните съоръжения за производство на биогаз са херметичните реактори-резервоари, наричани обикновено биореактори или метан-танкове.
Биореакторите представляват цилиндрични стоманобетонни резервоари с конични дъна и куполни покривни конструкции. Техни основни елементи са стоманобетонният корпус, помпената станция, системи за разбъркване, както и системи за отвеждане на остатъчните продукти и система за отвеждане на газа метан. В повечето случаи управлението на целия комплекс е автоматизирано. За събирането на отделилия се газ, обикновено метан-танковете имат предвидена цилиндрична камера с похлупак. Обемът на камерата и площта на похлупака се определят в зависимост от очакваното количество на отделящия се газ от метан-танка.
Технологиите за производство на биогаз са най-често използваните технологии за стабилизиране на първични и вторични утайки от пречиствателните станции за отпадни води, при обработка на отпадни води от различни производствени процеси от хранително-вкусовата промишленост, пивоварната и др. промишлености, при третиране на органичните фракции от твърдите битови отпадъци. Съответно, в зависимост от съдържанието на сухо вещество в субстрата, биогазовите инсталации се подразделят на биогазови инсталации, работещи с течни субстрати, съдържанието на сухо вещество в които е под 30% и инсталации, работещи с твърди битови отпадъци, където съдържанието на сухо вещество в отпадните субстрати е над 35%.Инсталациите за производство на биогаз, в зависимост от режима на зареждане на реактора, могат да бъдат разделени на инсталации с периодично зареждане и инсталации с непрекъснато зареждане и периодично извличане на биошлама.
При инсталациите с периодично производство, реакторът се зарежда напълно и след точно определено време, обикновено времето, за което се извършва пълно ферментиране на биомасата, той се изпразва. Всяка инсталация за производство на биогаз, както и всякакъв тип суровина се приемат за подходящи за инсталациите с периодично производство. Условието е инсталацията да включва газхолдери с голям обем или няколко реактора, за да може да се осигури непрекъснатост по отношение на доставянето на биогаз. Днес тази схема на работа на инсталацията не намира широко приложение, тъй като се прима за недостатъчно ефективна и подходяща предимно за малки биогазови стопанства.
Инсталациите с непрекъснат цикъл на работа се зареждат непрекъснато, а биошламът се извлича периодично. В този случай също няма специфични изисквания към инсталацията по отношение на проектирането, но използваната суровина е добре да бъде еднородна и в течно състояние. Производството на биогаз е постоянно, а количествата произведен газ са по-големи в сравнение с инсталациите с периодично зареждане. Това са по-често изгражданите инсталации днес, тъй като се характеризират със сравнително висока ефективност и равномерно подаване на биогаз. Възможно е и комбинирана работа на инсталацията. Ако се използва например едновременно слама и течни животински отпадъци, бавно изгниващата слама се използва като периодичен товар, с които реакторът се зарежда два пъти в годината, докато течните отпадъци се подават и отвеждат постоянно.
Една биогазова инсталация може да включва един или повече реактора. Инсталациите с един реактор за момента се оказват не особено актуални в Европейските страни. По-често срещано решение са инсталациите с повече от един реактор. Целта е да се гарантира равномерно производство на биогаз при намалени експлоатационни рискове. Реакторите се свързват успоредно или последователно.
В зависимост от използваните суровини инсталациите за производство на биогаз могат да се подразделят в няколко категории: селскостопански инсталации за производство на биогаз, в които се обработват предимно суровини със селскостопански произход като течен и твърд тор, остатъци от растителни култури и странични продукти, енергийни култури; инсталации за третиране на отпадни води; инсталации за преработка на твърди битови отпадъци; промишлени инсталации за биогаз и инсталации за получаване на сметищен газ.
Производство на биогаз от селскостопански отпадъци
Селскостопанските инсталации за биогаз в зависимост от техния относителен размер, функция и разположение могат да бъдат категоризирани като малки, средни до големи и централизирани коферментационни инсталации. Като малки обикновено се определят фамилните инсталации за биогаз. Фермерските инсталации обикновено се определят като средни до големи, като такива се определят и централизираните коферментационни инсталации. Инсталациите за биогаз от фермерски тип могат да имат различни проектни размери и да произвеждат биогаз по различни технологии, но като цяло работят на един и същ принцип. Торът се събира в предварителен резервоар, след което се изпомпва към биореактора. Самият биореактор представлява херметично затворен и топлоизолиран резервоар, в който се поддържа постоянна температура. Често той е оборудван със система за разбъркване, с която се подпомага смесването и хомогенизирането на субстрата. Времето за престой обикновено варира от 20 до 40 дни и зависи от вида на субстрата и температурата на ферментация.
Централизираните (съвместни) инсталации за коферментация се захранват с оборски тор и течни фракции, които се доставят от няколко ферми. Твърди се, че по този начин се постига намаляване на разходите, времето и работата по транспортирането на тора към инсталацията. Времето за престой е 12-25 дни.
Производство на биогаз от утайки
При пречистването на отпадните води основните замърсяващи вещества се отделят във вид на утайки. Тяхното отделяне и обезвреждане е сред най-трудните и скъпи етапи от процеса на пречистване на водите. Един от основните процеси, прилагани при обработката на утайките е процесът на анаеробно стабилизиране, целта на който е разграждането на органичните вещества и намаляване на крайното количество на утайките. Биогазът е продукт именно от този процес.
При производството на биогаз от органични отпадъци, които често биват депонирани в сметища или изгаряни от особена важност се явява произходът на органичните отпадъци. Кухненските отпадъци например са с голямо съдържание на влага и се считат с неподходяща структура за използването им като суровина за компостиране, но в същото време са подходящи за анаеробно разграждане. Органичните битови отпадъци могат също да се доставят като косубстрат в инсталации за коферментация, работещи с оборски тор.
Сметищата също могат да се разглеждат като големи анаеробни инсталации за получаване на биогаз. Тук обаче процесът е по-малка степен контролиран и зависи от възрастта на сметището. Съответно, за производството на биогаз се използват твърди отпадъци.
Инсталациите за производство на биогаз могат да бъдат изградени като наземни или с подземни и полувкопани ферментатори. Според специалисти, съвременните инсталации за биогаз са разположени наземно поради предимствата на използването на готови конструкции. Основен проблем при този тип съоръжения се явяват топлозагубите от стените на биореактора и определянето на необходимата дебелина на топлоизолацията. Предимство на подземните и полувкопаните ферментатори е възможността да се осигури равномерен температурен режим при по-малки разходи.
Изт.сп.“Екология и инфраструктура“
