Основные сведения

Развитие систем газоснабжения осуществляется по следующим основным направлениям, связанных с расширением источников и объемов поставок природного газа, повышением эффективности его использования, снижением экологических рисков:

- сетевое (трубопроводное) газоснабжение природным газом;

- технологии малотоннажного производства и распределение сжиженного природного газа (СПГ);

- компримированный природный газ (КПГ);

- сжиженный углеводородный газ (СУГ);

- метан из угольных пластов и газ подземной газификации углей (ПГУ);

- сланцевый газ;

- биогаз;

- газовые гидраты.

Одним из перспективных направлений в развитии систем газоснабжения является производство альтернативного источника энергии – биогаза.

Биогаз - это газообразный источник энергии, получаемый в результате анаэробной ферментации органических веществ различного происхождения и состава. Биогаз в основном состоит из метана (СН₄) и углекислого газа (СО₂), а так же содержит незначительное количество других газов: сероводород (H₂S), азот (N₂), водород (H₂)()их газов.ислого газа и 1-2% двном состоит из метана ргию явлшяется плучение биогаза.. Соотношение содержания СН₄ и СО₂ зависит от состава исходного субстрата и условий процесса брожения. Теплотворная способность 1 м³ биогаза составляет 20-25 МДж/м³, что эквивалентно энергии 0,6 м³ природного газа, 0,74 т. нефти или 1,3-1,7 т. дров. Состав и основные свойства биогаза представлены в таблице 1.

Таблица 1

Состав и основные свойства биогаза

Показатели	Компоненты	Биогаз
CH4	CO2	H2	H2S
Объемная доля, %	55-70	27-44
Теплота сгорания, МДж/м3	35,8	-	10,8	22,8	21,5
Пределы воспламенения при содержании с воздухом, %	5-15	-	4-80	4-445	6-12
Температура, оС: воспламенения критическая	650-750 -82,5	- 31,0	-	-	650-750 12,5
Критическое давление, МПа	4,7	7,5	1,3	8,9	7,5-8,9
Плотность г/л	0,72	1,98	0,09	1,54	1,2

Количество биогаза, образующегося при анаэробной ферментации зависит, главным образом, от состава исходного субстрата. Органические отходы различного происхождения состоят из воды и сухих веществ, при этом сухое вещество включает органическую и неорганическую составляющие части (рис.1.1).

Рис. 1.1. Состав органических отходов

Неорганическая часть субстрата (зола) содержит в своем составе землю, песок, камни, металлические и другие включения, которые являются балластом исходного материала и приводят к неисправностям технологического оборудования.

Органическое вещество состоит из жиров, протеинов и углеводов.

Наибольшее количество биогаза выделяется из жиров - 1250 л из килограмма органического сухого вещества (ОСВ). Белки и углеводы дают всего лишь 700 л/кг ОСВ и 790 л/кг ОСВ соответственно. Максимальное содержание метана в составе биогаза выделяется также из жиров – 850 л/кг ОСВ или 68% от общего количества биогаза. Из белков можно получить 490 л/кг ОСВ или 71%, в то время как углеводы дают только 395 л/кг ОСВ или 50% метана в газе (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Влияние состава субстрата на выход биогаза и метана.

Таким образом, выход биогаза зависит от содержания в исходном субстрате жиров, белков и углеводов. Анализ работ отечественных зарубежных исследователей [ ] позволяет сделать вывод о том, что нет единого показателя выхода биогаза. Средние данные по выходу биогаза из различных видов субстратов представлены на рис.1.3.

Рис. 1.3. Выход биогаза из различных видов субстратов.

1 – твердый навоз КРС; 2 – жидкий навоз КРС; 3 – солома; 4 – содержание желудка свиней; 5 – куриный помет; 6 – жидкий свиной навоз; 7 – листья; 8 – содержание желудка жвачных; 9 – ботва свеклы; 10 – бытовые отходы; 11 – кукурузный силос; 12 – травяной силос; 13 – пивная барда; 14 – жир.

Процесс получения биогаза это биологическое разложение сложных органических соединений, происходящее в течение нескольких фаз, в результате воздействия различных групп бактерий. Во время процесса постоянно образуются и разлагаются различные промежуточные продукты.

Согласно современным представлениям считается, что преобразование любого сложного органического вещества в биогаз проходит через четыре основные последовательные стадии [ ], однако имеются работы [ ], в которых рассматривается 5 стадий получения биогаза, при этом кроме гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза добавлена стадия дезинтеграции (рис.1.4).

Рисунок 1.4. Схема анаэробного брожения.

1.Дезинтеграция – сложные клеточные образования распадаются на отдельные биополимеры: углеводы, белки, жиры и др.

2.Гидролиз – разложение сложных биополимеров на более простые мономеры: аминокислоты, сахара, жирные кислоты.

3.Ацидогенез – ферментативное разложение образовавшихся мономеров до более простых веществ: органические кислоты, спирты, альдегиды, углекислота.

4.Ацетогенез – образование уксусной кислоты, водорода и углекислоты.

5.Метаногенез – окончательное бактериальное преобразование органических веществ в метан.

На стадиидезинтеграции сложные клеточные образования распадаются на отдельные биополимеры: углеводы (30%), белки (30%), жиры (30%) и другие инертные газы (10%).

На этой стадии гидролиза комплекс высокомолекулярных органических веществ, включающих углеводы, белки и жиры подвергается ферментативной деградации с образованием аминокислот, моносахаридов и жирных кислот:

(1.1)

Общая скорость гидролиза зависит от состава органических веществ и условий процесса - концентрации субстрата, площади контакта ферментов, температуры и кислотности среды.

Гидролиз зачастую является лимитирующим этапом процесса, так как последующие стадии анаэробного брожения не могут начаться, пока твердые нерастворимые вещества не перейдут в более простые мономеры, используемые микроорганизмами.

На стадии ацидогенеза образовавшиеся мономеры под действием кислотогенных бактерий превращаются в органические кислоты, спирты, альдегиды, аммиак, сероводород и диоксид углерода:

(1.2)

Ацидогенез обычно не лимитирует последующие стадии брожения, поскольку кислотегенные бактерии неприхотливы и растут с высокой скоростью. Но необходимо отметить, что быстро протекающая ацидогенная стадия может привести к накоплению длинно- и короткоцепочечных жирных кислот, т.е. повышению кислотности, что является причиной прекращения роста бактерий последующих стадий.

Ацетогенез осуществляется двумя группами ацетогенных бактерий. Первая группа образует ацетат с выделением водорода из растворимых продуктов предшествующей стадии.

, (1.3)

.(1.4)

Вторая группа ацетогенных бактерий приводит к образованию уксусной кислоты путем использования водорода для восстановления СО₂:

. (1.5)

На стадии метагенеза метаногенные бактерии образуют метан двумя основными способами – расщеплением ацетата и восстановлением диоксида углерода водородом. При этом первым способом образуется 64 % метана, вторым 26%:

; (1.6)

. (1.7)

Некоторые метаногены конвертируют в метан также формиат, метанол и метиламин:

(1.8)

; (1.9)

4CH₃NH₂ + 2Н₂О→ЗСН₄ + CO₂ + 4NH₃. (1.10)

Известно более 30 видов метаногенов, но в процессе анаэробного брожения участвуют 5 основных групп: Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum, Methanotrix и Methanosarcina [1]. Метанообразующие бактерии к условиям своего существования предъявляют более высокие требования по сравнению с другими видами, так как они нуждаются в абсолютно анаэробной среде и требуют более длительного времени для воспроизводства.