Биогаз, горючая смесь (в основном СН4, СО2) – продукт анаэробного микробиологического разложения органических соединений.
Состав биогаза находится в прямой зависимости от химического состава разлагающегося органического вещества: при доминировании углеводов (простые сахара: глюкоза; высокомолекулярные полимеры: целлюлоза и гемицеллюлоза) содержание метана снижается, при доминировании жиров, наоборот, повышается.
Состав биогаза понятие гибкое и не стабильное, т.к. зависит от множества факторов (рис. 1) [1].
Ниже приводится основная статистика по антропогенной эмиссии биогаза и метана:
1) антропогенный вклад в глобальную эмиссию метана (до 20 %):
– 0,09 – 0,8 [2],
– 1,5–73 млн. т/год [3],
2) из 1 т ТБО образуется до 180 м3 сырого биогаза, из 1 кг навоза крупного рогатого скота образуется 0,250–0,340 м3 биогаза [4];
3) из сухой массы 1 кг отходов образуется СН4 (0,34 /68) · 10–3 м3 [5],
4) при анаэробном биоразложении [6]:
– 1 г жира образует 1250 мл биогаза (68 % СН4 и 32 % – СО2),
– 1 г углевода – 790 мл биогаза (68 % и 32 %),
– 1 г белка – 704 мл биогаза (71 % и 29 %);
5) образование метана из жиров (до 70 %), углеводов (до 62,5 %) и белков (до 48 %);
6) основные физические свойства биогаза:
– плотность 1,07/10–4 кг/м3, вязкость: биогаза 1,15/10–5, метана – 1,04/10–5 Н·с/м2,
– теплота сгорания – 1800 – 25100 кДж/м3 [7].
Рис. 1. Факторы, влияющие на эмиссию антропогенного биогаза [1]
Поэтому антропогенный биогаз, вследствие наличия в своем составе СН4, СО и H2S имеет как локальный (пожары, взрывы, угнетение биоты; распространение неприятного запаха), так и глобальный (парниковый эффект, уменьшение озонового слоя) фактор воздействия на окружающую среду (рис. 2).
Рис. 2. Последствия (основные) для окружающей среды от аккумулятивного влияния антропогенного биогаза [1, 7]
Объект и методика исследования. Объектом исследования послужило ТБО, собранное «навалом». После сортировки, состав ТБО, использованный для биоразложения в установках, включал следующие компоненты: органические пищевые отходы 75 %, другие органические (древесные остатки в виде опилок, макулатура в виде остатков бумаги, газет, журналов, книг; остатки упаковочного картона) отходы (15 %), уличный смет (10 %).
Весомым аргументом в пользу использования подстилочного навоза крупного рогатого скота (органический гомогенный материал, состоящий из фекалии, урины, подстилочного материала, остатки корма, технической воды) в качестве добавки для интенсификации анаэробного биоразложения ТБО в установках явился тот факт, что навоз, также, как и компост, обогащен питательными веществами, которые необходимы для анаэробного разложения и получения обогащенного метаном биогаза [8].
Результаты и обсуждение. Протокол процесса переработки ТБО изложен в таблице, производство биогаза при анаэробном методе переработки ТБО показано на рис. 3.
Процесс анаэробного биоразложения отходов протекал в условиях биореактора 54 дня.
Протокол процесса переработки ТБО
|
День |
t, оС |
Процесс переработки ТБО |
Продукты переработки ТБО |
|||
|
Физическое состояние |
Цвет |
Структура |
Фильтрат |
Биогаз |
||
|
1-й |
24 |
Загружено 4,2 кг |
Темно-коричневое |
Плотная, влажность 72 % |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
|
7-й |
26 |
Масса осела на 3–5 % |
Темно-коричневое |
За потение стенок и крышки емкости |
Незначительно, со 2-го дня переработки |
С 3-го дня переработки |
|
14-й |
29 |
Масса осела на 9 % |
Темно-коричневое |
Оседание массы отходов происходит неравномерно. Масса начала рыхлеть |
На крышке емкости скопление воды в виде капель |
В биогазе стойко фиксируется наличие метана |
|
21-й |
35 |
Оседание массы: 20 % |
Темно-коричневое |
На крышке емкости капельки воды присутствовали |
В биогазе стойко фиксируется наличие метана |
|
|
28-й |
35 |
Оседание массы: 33 % |
Темно-коричневое |
Рыхление и снижение влажности |
На крышке емкости капельки воды присутствовали. |
В биогазе стойко фиксируется наличие метана |
|
35-й |
37 |
Оседание массы: 39 % |
Темно-коричневое |
Рыхление и снижение влажности |
На крышке емкости капельки воды исчезли |
В биогазе стойко выделяется метан |
|
40-й |
31 |
Оседание массы: 44 % |
Темно-коричневое |
Масса рыхлая |
На крышке емкости капельки воды отсутствовали |
В биогазе выделяется метан |
|
47-й |
30 |
Оседание массы: 50 % |
Темно-коричневое |
Масса рыхлая |
На крышке емкости капельки воды отсутствовали |
В биогазе выделяется метан |
|
54-й |
30 |
Оседание массы: 59 % |
Темно-коричневое |
Масса рыхлая |
На крышке емкости капельки воды отсутствовали. |
В биогазе выделяется метан |
Рис. 3. Протокол производства метана
Как видно из рис. 3, при анаэробном методе переработки органических твердых бытовых отходов, в зависимости от температурного режима, регулируемого извне, различали три периода:
– с 1–го по 16-й день биоразложения температурный режим составил 24–29оС;
– с 17-го по 37-й день – 35–37оС;
– с 38-го по 54-й день – 30оС.
Как видим, верхний уровень мезофильного режима благоприятно влияет на процесс анаэробного биоразложения органических отходов и, следовательно, на производство биогаза.
Если принимать во внимание температурный режим переработки отходов, то было произведено:
– при температурном режиме 24–29оС – 2,67 л метана;
– при температурном режиме 30–35оС – 6,43 л метана;
– при температурном режиме 30оС – 5,075 л метана.
Общая выработка биогаза при разложении органических твердых бытовых отходов составило 14,175 л.
Заключение. Из 4,2 кг субстрата переработано 59 %, т.е. 2,478 кг и 41 %, т.е. 1,722 кг остается как дигестат, которое может быть использовано для производства нетрадиционного органического удобрения. Общая выработка метана составило 14,175 л.