Биогаз е горивен газ, който се получава при организирана ферментация на биологични продукти в анаеробна (без наличие на кислород) среда. Получаваният в природата при естествена ферментация газ се нарича „блатен газ“.
Тази статия се описва газ с биогенен произход, произведен технически чрез анаеробна ферментация в биогазови инсталации.
Производство В промишлен мащаб производството на биогаз се извършва в т.нар. биогазови инсталации. Това са съоръжения, състоящи се от хранилище за субстрата, един или два последователно свързани анеробни ферментора, хранилище за биогаз и лагуна за остъците след ферментацията.
Състав и свойства Биогазът се състои основно от метан, въглероден двуокис и малки количества вода и сероводород, следи от азот, кислород, водород (таблица 1). Този състав зависи предимно от съотношението на белтъчини, мазнини и въглехидрати в субстрата и по-малко от настройките на технологичния процес. Отклонения в състава на биогаза по време на ферментацията са резултат от и служат за интерпретация на смущения в биохимичните процеси в микробиологичния консорциум в реактора, при непроменен състав на захранващия субстрат.
+Таблица 1 Състав на промишлено произведения биогазсъставкахим. формуламерна ед.концентрацияметанCH4% обем50 – 75въглероден двуокисCO2% обем25 – 45водаH2O% обем2 – 7сероводородH2Sppm20 – 20000азотN2% обем<2кислородO2% обем<2водородH2% обем<1
Суровини за получаване За производството на биогаз могат да бъдат използвани органични комунални и селскостопански отпадъци, органични отпадъци от хранително-вкусовата промишленост, както и целенасочено отгледани енергийни растения (таблица 2). С тези органични материали, т.нар. субстрати, се извършва контролираното захранване на биогазовата инсталация. В практиката добивът на биогаз може да бъде повлиян от технологичния процес и отклоненията от качеството на съхранение и силиране на субстратите, както и от флуктуациите в техния състав (променливо съотношение C:N:P). Посочените данни са осреднени и статистически потвърдени стойности от практиката и лабораторни измервания.
+Таблица 2 Биогаз потенциал на някои органични субстрати (Döhler et al., 2013)субстратсухо вещество, [%]органично сухо вещество, [% от сухото вещество]добив биогаз, [норм л/кг органично сухо вещество]съдържание на метан, [%]Селскостопански торовептичиа тор407550055говежда тор258545055говежда тор, течна108038055свинска тор, течна68042060Енергийни растениясмес царевица и кочан
(CCM corn-cob-mix)659873052силаж от фуражно цвекло169070052силаж от зърнени растения359562053зърно, мляно859773052силаж от треви359060053силаж от незряла ръж259060053силаж от детелина309058055силаж от детелина и люцерна309053055царевица на зърно, мляно879873052силаж от озеленителни треви5085200 – 40050силаж от царевица, цяло стъбло359565052силаж от слънчоглед259052057силаж от сорго и просо289061052пшенична слама, 10 мм, след преработка869040052силаж от захарно цвекло239070052Органични промишлени остатъцикомунални органични отпадъци405061560отпадъци от зърнопреработка888565060зърнени отпадъци след алкохолна дестилация69470055глицерин, 99%, 1,3 кг/л1009985050картофени отпадъци след алкохолна дест.68567054соеви трици, 15% остатъчно олио928766060хранителни органични отпадъци168768060 Определянето на добива на биогаз от даден субстрат може да бъде извършено чрез така наречения Batch-метод, непрекъсната ферментация в лабораторни условия или чрез директно изчисление.
При Batch-метода се извършва анаеробна ферментация на определен субстрат при мезофилна температура (37± 2 °C) с инокулум, в съотношение с органичното сухо вещество 0,5. Обемът на сумарно произведения биогаз се определя, докато той престане да бъде отделян, обикновено за около 25 дни (VDI 4630, 2006). Получените резултати се различават от тези, постигани в практиката. Предимствата на този метод са в несложното техическо изпълнение и ниска енергоемкост, възможност за стандартизиране и сравнение на резултатите за различни субстрати за кратък период от време (в рамките на 30 – 50 дни). По този начин се постига ориентировъчно определяне на икономическата приложимост на субстрата чрез определяне на максималния добив на биогаз. Методът не предоставя директна информация за времето на престой и количеството нужно за захранване на биогазови инсталации. Тази информация се получава чрез анаеробна ферментация в лабораторни условия, така наречената непрекъсната ферментация.
Непрекъснатата ферментация се извършва в темперирани, добре хомогенизирани ферментори в лабораторен мащаб. Целта е да се симулират възможно най-добре условията в биогазовата инсталация, за да се проведат оптимизация на техническите параметри, добива на биогаз от даден субстрат или от смеси на субстрати, димензиониране на биогазови инсталации и не на последно място – научни изследвания. Предимствата са контролирани параметри в широк диапазон от вариации, относително бързо нискорисково изследване на критични ситуации и тяхното решение, симулации на време на престой на субстрата във ферментора, изследване на биологичните патраметри в системата. Този вид ферментация е технически и финанасово трудоемка, трудно се стандартизират и повтарят резултатите в случай на нужда.
Директното изчисление на потенциалния добив на биогаз с помощта на математически формули и анализи на състава на субстратите имат предимството, че са лесни за изпълнение, дават бърз резултат и са много по-евтини, особено при наличие на данни за състава на стандартизирани субстрати, които в повечето случаи липсват, поради разнородните природа, произход и начин на съхранение на субстратите. В тези случаи е необходимо създаването на математически модел и негвото валидиране. Въпреки всичко математическите изчисления намират приложение в ориентировъчния избор на комбинации от субстрати и планирането на анеребни ферментации в лабораторен мащаб. Така например с уравнението на Buswell може да бъде изчислено съдържанието на метан и въглероден диоксид в биогаза.
СnHaObNd + (n-a/4-b/2+3d/4)*H2O = (n/2-a/8+b/4+3d/8)*CO2 + (n/2+a/8-b/4-3d/8)*CH4 + dNH3, [mol] (Buswell and Hatfield, 1936).
Понеже точният състав на субстрата почти никога не е известен, се прави анализ на Weender. С получените резултати и със стойностите на специфичния добив на биогаз от отделните групи вещества се изчислява потенциалът на дадения субстрат (Döhler et al., 2013). +Таблица 3 Потенциал за добив на биогаз от чисти биополомеривеществобиогаз [л/кг сухо вещество]метан [%]усвоими белтъчини600 – 70070 – 75усвоими мазнини1000 – 125068 – 73усвоими въглехидрати700 – 80050 – 55
Обемът на добития биогаз зависи от температурата, налягането, водното му съдържание. Поради тази причина и за да се направи възможно сравнение на добива при различни условия и производители, обемът се преизчислява при нормални условия чрез уравнението на Ван дер Ваалс. Освен това е задължително да се посочи спрямо кой параметър е зададен добивът – ХПК (химична потребност от кислород, СОD), прясно, сухо или органично вещество.
Видове технологична анаеробна ферментация Според вида, състава и водното съдържание на субстрата се прилагат различни видове анаеробни ферментори. Ключовите параметри на ферменторите са обобщени в таблица 4.
+Таблица 4 Ключови параметри на ферменторите (Döhler et al., 2013)показателописаниеинтервалброй на степенитеедностепенендвустепененмногостепененсъдържание на сухо вещество на субстратамокра ферментация< 15%суха ферментация> 15%начин на захранваненепрекъснатопрекъснатотемпература на процесапсихрофилен< 20ºСмезофилен30 – 37ºСтермофилен55 -60ºС Ферментационният процес може да бъде разделен на две или повече степени, в зависимост от това дали, поради особености в съдържанието на субстрата, не се налага разделяне на биохимичните процеси в различни, последователно свързани ферментори. Този прийом се прилага, за да бъдат избегнати или смекчени проблеми, като образуване на пяна, оптимално разграждане на инхибиторни за метаногенните микроорганизми съставки или ускоряване на хидролизата на полимери. Едностепенните биогазови инсталации са най-често срещани.
Съдържанието на сухо вещество в захранващия субстрат определя и консистенцията на ферменторната маса. Това играе важна роля за правилния подбор на вида на реактора и системата за захранване и хомогенизиране. Така например при ферментацията на течни субстрати може да се образува плаващ слой, който, ако не бъде хомогенизиран навреме, води до смущеня в отделянето на произведения биогаз и впоследствие до образуването на пяна. Друг проблем, който може да възникне при липса на оптимално хомогенизиране, е образуването „джобове“ в реактора, където субстратът преминава директно в преливника, без да бъде разграден. Това води до понижаване на добивите на биогаз и до увеличаване не емисиите на метан от лагуната вследствие на повишената постферментация на остатъчния материал.
Най-често захранването е непрекъснато или по-точно, се извършва на кратки интервали, като в същото време чрез преливника се отделя натрупаната ферментирала маса. Според скоростта на разграждемост на субстрата и неговото количество се изчислява и работния обем на ферментора, с цел да се осигури достатъчно време на престой на субстрата до почти пълното му преобразуване в биогаз (80 – 90%). Често преди захранването субстратът се смесва с остатъчен материал от ферментора. При прекъснатото захранване (batch-модус) твърдите отпадъци се натрупват във ферментора (контейнер) и се оставят да престоят там, без да бъдат хомогенизирани, т.е. прилага се ферментация чрез перколация. При този вид субстрати степента на разграждане е далеч по-ниска и остатъците се подлагат на компостиране, преди да бъдат използвани за наторяване.
Предлаганите на пазара биогазови инсталации са с мезофилен или термофилен температурен режим. Предимството на мезофилната ферментация е в устойчивата на промени микробиологична среда. Това позволява бързото възстановяване на оптимален режим на работа на биогазовата инсталация след технически проблеми. При термофилните ферментации биологичната активност на микроорганизмите е по-висока и могат да се постигнат по-бързи и високи добиви на биогаз, но за сметка на това микроорганизмите са много по-чувствителни на промени в температурата, която по възможност трябва да не варира повече от ±2ºС. Психрофилната анаеробна ферментация протича бавно, не е подходяща за много от субстратите и няма икономическо значение.
В практиката се срещат много разработки на биогазови инсталации от смесен характер, комбиниращи гореспоменатите параметри. Няколко примера за твърда ферментация са посочени в таблица 5.
+Таблица 5 Примери за твърда ферментация (Döhler et al., 2013)технологичен методзахранваневидпроизводителстепен на разработкахоризонталеннепрекъснатKompogaswww.hz-inova.comна пазарасилаженнепрекъснатDrancowww.ows.beна пазаранепрекъснатATFwww.kriegfischer.deпилотен мащабнепрекъснатValorgawww.valorgainternational.fr на пазаранепрекъснатJärna, Schwedenwww.mtt.fi пилотен мащабперколациянепрекъснатBioPercolatwww.wehrle-umwelt.comна пазарапрекъснатBekonwww.bekon.euна пазарапрекъснатBiofermwww.biofermenergy.comна пазарапрекъснатLoock-TNSLoock Consultants Helektor GmbHна пазарапрекъснат3-Awww.3a-biogas.comна пазаранатрупванепрекъснатAufstau-Boxenwww.biogas-ratzka.deна пазарапрекъснатFolienschlauchwww.ag-bag.comна пазара
Биохимични процеси Биохимичните процеси протичат в четири основни етапа: хидролиза на полимерите до прости захари, аминокиселини и мастни киселини; преобразуването им в киселини; по-нататъшното им метаболизиране до оцетна киселина и в последния етап – образуване на метан (фигура 1).
Приложения В зависимост от произведеното количество и техническите възможности, биогазът има потенциал за широк диапазон употреба при производството на енергия (фигура 2).
Съхранение и приложение на остатъците от ферментацията