К основным технологий использования биоэнергетических ресурсов относятся:
• анаэробное сбраживание (сбраживания без доступа кислорода, при котором с помощью определенных видов метаногенных бактерий вырабатывается биогаз - метанвмисний газ содержит до 60-70% метана);
• термохимическая переработка (сжигание, пиролиз, газификация - различаются конечным продуктом и степени доступа кислорода);
• получения биотоплива для автомобилей (биоспирт и биодизель). Анаэробное сбраживание. Биогаз
Технологии анаэробного сбраживания можно применять к практически любого вида биоэнергетических ресурсов. Однако наиболее распространенным является их приспособления к ресурсам с высоким содержанием влаги.
Газ, образующийся на основе анаэробного разложения органического вещества, был открыт Ширли в 1667 году и получил название «болотного газа» вследствие его обилия в толще застойных вод.
В 1884 г. В. Гайон, ученик Л. Пастера, представил результаты исследований, посвященных процессу ферментации при выполнении которых было установлено, что газ, полученный в процессе ферментации, может быть использован как энергетический ресурс для выработки тепловой и электрической энергии.
В первой части ХХ века изучались различные технологии ферментации, в частности влияние различных видов сырья, микрофлоры. Изучались и температурные режимы протекания процесса генерации метана.
В 50-60-х годах значительное влияние на развитие исследований в области анаэробной ферментации мало массовое строительство станций очистки сточных вод. Так, только в ФРГ в 1951 году работало 48 заводов по переработке сточных вод, производили 26 млн м3 био-газа в год.
Значительное привлечение внимания мирового сообщества к процессу анаэробной ферментации органических отходов как к источнику получения энергетического ресурса началось во время нефтяных кризисов в капиталистических странах (первая из них произошла в 1973 году).
И наконец, в последние десятилетия, следует отметить расширение использования биогаза для предотвращения выбросов парниковых газов в атмосферу. Биогаз представляет собой смесь газов, большую часть которой составляют метан (СН4) и диоксид углерода (СО2). Также как примеси в состав биогаза входят сероводород (Н ^), азот (N2), водород (Н2), моноокиси углерода (СО) и др..
Основными характеристиками биогаза как энергетического ресурса является содержание метана и его теплотворная способность. Содержание метана в составе биогаза зависит от использованного биоэнергетического ресурса, а также от технологии его получения. Наименьшие концентрации метана в составе биогаза имеет биогаз свалок твердых бытовых отходов (ТБО) вследствие невозможности контроля процесса его образования. Для небольших свалок этот показатель составляет 20-30%, для более крупных - 40-60%. Для станций очистки городских сточных вод содержание метана в составе биогаза несколько больше - от 50% (например, в проекте города Chambery, Франция) до 70% (в проекте города Trollhattan, Швеция). Чаще всего его содержание составляет 65%. Наибольших значений содержание метана достигает при использовании отходов животноводства или пищевой промышленности - 80-81%.
Теплотворная способность, имеет тесную связь с содержанием метана колеблется чаще всего от 17 до 25 МДж/м3. В случае применения технологий очистки биогаза от примесей (которыми являются двуокись углерода, азот, сероводород и др.). Теплотворная способность может достигать 35 МДж/м3.
С технологической точки зрения, в процессе анаэробной ферментации (метаногенеза) выделяют определенные стадии:
• стадия гидролиза - исходный субстрат, вмещающий полимерные соединения, раскладывается до мономеров. Для различных субстратов (целлюлоза, крахмал, пектин, белки) гидролиз проводится различными микроорганизмами;
• стадия ацидо-и сольвентогенезу - превращение продуктов гидролиза в смесь жирных кислот и нейтральных растворителей. Наблюдается выделение водорода, двуокиси углерода, сероводорода, аммиака. На данной стадии проводятся разнообразные виды брожения - спиртовое, маслянокислое и др.. Преобразование осуществляется с помощью гидролизерив и «микрофлоры рассеяния», поглощающей продукты гидролиза и обеспечивает их сбраживания;
• ацетогенна стадия. Тесно связана с метаногенная, так как последняя использует водород, образуется ацетогенезу;
• метаногенная стадия - превращение в метан и двуокись углерода полученного сырья: 1) смеси двуокиси углерода и водорода, 2) ацетат 3) формиата 4) метанола, 5) метиламин, 6) монооксида углерода. Всего существует 13 видов метанобактерий, которые между собой делятся по используемой сырьем.
Известно 3 термические режимы метаногенеза:
• психрофильные (+5 ° С - +20 ° С);
• мезофильный (+30 ° С - +42 ° С);
• термофильный (+54 ° C - +56 ° C).
На практике чаще всего применяются мезо-и термофильный режимы. Вообще, можно сказать, что при переходе от одного режима к другому эффективность процесса возрастает примерно в 1,5-2 раза, что выражается, в частности, во времени, который необходим для сбраживания сырья (рис. 4.2). Вообще, в технологиях производства биогаза можно выделить виды:
• неконтролируемое производство биогаза на свалках;
• сбраживания биогаза в реакторах (метантенках). Производство биогаза на свалках осуществляется на сравнительно
значительной глубине в толще свалки (около 5 метров и глубже). Свалки представляют собой огромные реакторы по производству биогаза. Однако проблемой является то, что мы не можем контролировать процесс ме-таногенезу. Как следствие, во-первых, биогаз свалок ТБО производится независимо от того, хотим мы этого или нет. Поэтому использование биогаза свалок является одним из основных приоритетов в развитии биоэнергетики. Во-вторых, состав биогаза очень нестабильным и содержит большое количество примесей. Как результат, необходимо устанавливать дополнительное оборудование для очистки биогаза (рис. 4.3).
Для других типов биоэнергетических ресурсов используется технология сбраживания отходов в реакторе. Существуют два основных типа реакторов: с периодической загрузкой (сырье загружается в реактор, находится там в течение определенного времени (обычно 2-3 недели), затем заменяется новой. Другим типом являются реакторы непрерывного загрузки - субстрат движется с достаточно медленной скоростью по реактору и при его доходження до конца пути в реакторе становится уже сброженного сырьем.