4.9.3 Биотехнологическая конверсия биомассы

При биотехнологической конверсии используются различные органические отходы с влажностью не менее 75 %. Биологическая конверсия биомассы развивается по двум основным направлениям:

1) ферментация с получением этанола, низших жирных кислот, углеводородов, липидов;

2) получение биогаза.

Этанол (этиловый спирт) получают в процессе спиртового сбраживания. После предварительной обработки исходной биомассы получают сахара – основной энергоаккумулирующий продукт. Затем при добавлении соответствующих микроорганизмов (дрожжей) проводят сбраживание и получают раствор с 10 %-ной концентрацией спирта. При этой концентрации микроорганизмы погибают и раствор подвергают перегонке до получения смеси, состоящей из 95 % этанола и 5 % воды. Теплота сгорания этанола составляет 30 МДж/кг.

При переработке биомассы в этанол образуются побочные продукты. Это промывочные воды и остатки перегонки. Поэтому представляют интерес технологии, которые дают возможность в процессе очистки этих отходов получить минеральные вещества. Эти вещества можно использовать в химической промышленности и для производства минеральных удобрений. В Бразилии была разработана программа перевода всего автотранспорта на этанол, получаемый из сахарного тростника. Начиная с 1980 г. ежегодное производство этанола в Бразилии достигло 10 млн. л. В некоторых странах Европы этанол используют в качестве добавки к топливу двигателей внутреннего сгорания. При этом снижаются выбросы токсичных веществ в окружающую среду.

Получение биогаза связано, прежде всего, с переработкой отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и осадков.

Получение биогаза из органических отходов состоит в управляемом анаэробном сбраживании этих отходов при участии бактерий. Органические вещества разлагаются без доступа кислорода в среде с регулируемыми параметрами. В процессе анаэробной ферментации сложные органические вещества разлагаются на углекислый газ и метан.

Биогаз в среднем состоит из 70 % метана и 30 % углекислого газа. Теплота сгорания биогаза равна 10…24 МДж/м³ и эквивалентна 0,7…0,8 кг условного топлива. Он может с высокой эффективностью трансформироваться в другие виды энергии. При этом коэффициент его полезного использования в качестве топлива на газогенераторах может достигать 83 %. Производство биогаза в некоторых зарубежных странах занимает ведущие положение в энергетическом балансе сельскохозяйственного производства.

Проблемами разработки биогазовых технологий, созданием оборудования, установок и станций в России занимаются: Мосводоканал, Академия коммунального хозяйства, ВИЭСХ, ЦВНИИКОМЖ, АО Центр «ЭкоРос», АО «Грин-Вельт», АО «Лесса», АО «ЭкоБио» и др.

АО Центр «ЭкоРос» разработана индивидуальная биогазовая установка ИБГУ-1. Она предназначена для экологически чистой безотходной переработки отходов сельского хозяйства с получением биогаза и органических удобрений [1]. В состав ИБГУ-1 входят: биореактор – метантенк вертикального типа с рабочим объемом 2 м³; газгольдер «мокрого» типа объемом 3 м³; загрузочный механизм; лестница – эстакада; приемник для жидких удобрений на 1 м³; ковш – тележка на 50 кг.

Установка ИБГУ-1 работает в полупериодическом режиме. Ежесуточная загрузка органических отходов, влажностью 85 %, составляет 200 кг. Температурный режим поддерживается с помощью ТЭНов, которые вмонтированы в водяную рубашку, окружающую биореактор. При установке биореактора в помещении, суточное потребление энергии не превышает 15 кВт·ч. Производительность установки составляет 10…12 м³/сут. биогаза, который состоит из 60 % метана и 40 % углекислого газа. Годовой выход биогаза – 3600 м³, что эквивалентно 2,5 т мазута. Полученная энергия в 4…5 раз превышает затраченную. Годовой выход экологически чистых органических удобрений составляет 72 т. Срок окупаемости ИБГУ-1 не превышает 0,5 года.

Также АО Центр «ЭкоРос» разработал и ввел в эксплуатацию автономный биоэнергетический блок – модуль БИОЭН-1. Он комплектуется двумя биореакторами – метантенками общим объемом 10 м³, двумя газгольдерами по 6 м³ каждый, биогаз – электрогенератором мощностью 4 кВт, отопительным газовым водогрейным котлом тепловой мощностью 23 кВт, инфракрасной газовой беспламенной горелкой тепловой мощностью 5 кВт с КПД 95 % и бытовой газовой четырех-комфорочной плитой [1].

Количество перерабатываемого сырья до 1 т/сут отходов крупно рогатого скота при влажности 85 %. Выход биогаза – 40 м³/сут. Количество вырабатываемой электроэнергии – 80 кВт·ч переменного тока напряжением 220…380 В и частотой 50 Гц. Тепловой энергии достаточно для отопления 120…140 м² жилой площади. Также получают жидкие экологически чистые органические удобрения. Затраты на поддержание оптимальной температуры ферментации (52…55 С) не превышает 30 % вырабатываемого в зимнее время биогаза.

Схема БИОЭН-1 представлена на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Схема энергетического блок – модуля БИОЭН-1

Биогаз можно получать при обработке осадка сточных вод в метантенках на городских очистных сооружениях. Объем использования биогаза из осадков коммунальных сточных вод составляет около 50 тыс. т у.т.

Научно-исследовательские и опытно – конструкторские работы по созданию эффективных установок, работающих на биогазе, и сокращению энергозатрат на технологические процессы очистных сооружений, ведутся рядом организаций.

Разработаны принципиально новые горелочные устройства, позволяющие оптимизировать режим работы котельной с учетом неравномерности выхода биогаза.

Для развития биоэнергетики с целью получения биогаза и высококачественных удобрений необходимы:

1) разработка инновационных проектов на строительство биогазовых установок в населенных пунктах на предприятиях сельскохозяйственной промышленности;

2) создание экономического механизма, стимулирующего научно-технические и проектно-конструкторские работы в этой области;

3) производство и внедрение технологического оборудования.