Сучасний стан розвитку технологій анаеробного зброджування

Одним із можливих способів одержання енергії з біомаси тваринного і частково рослинного походження є її анаеробне (без доступу кисню) зброджування. За цих умов під дією наявних у біомасі бактерій частина органічних речовин розкладається з утворенням метану та вуглекислого газу, суміш яких становить так званий біогаз.

Анаеробне зброджування органічних відходів відоме людству багато століть, проте лише з другої половини XX століття його почали застосовувати для одержання енергії. Сучасні біогазові установки, поряд з одержанням енергії, виконують роль очисних споруд, що знижують хімічне та бактеріальне забруднення грунту, води, повітря і переробляють відходи на нейтральні мінералізовані продукти. Енергетичний або природоохоронний акцент біогазових установок залежить від конкретних умов, проте в більшості випадків для промислово розвинутих країн необхідність їх спорудження визначається розв’язанням екологічних проблем. Разом з тим, біогазові установки є джерелом палива, тому на їх базі можуть створюватися нові варіанти систем енергопостачання.
Сировина і продукти
анаеробного зброджування
Як сировину для одержання біогазу можна використати органічні відходи різноманітних виробництв сільського господарства і підприємств з переробки сільськогосподарської продукції, що мають рідку або напіврідку консистенцію або доведені до такого стану. До них належать екскременти тварин, рослинні рештки (солома, бадилля, трава та інші рештки, невикористовувані безпосередньо як корм), осади стічних вод тваринницьких та птахівничих підприємств тощо.
Якщо реактор працює нормально, одержуваний біогаз містить 60—70% метану, 30—40% двоокису вуглецю, незначну кількість сірководню (0—3%), а також домішки водню, аміаку та окислів азоту, не має неприємного запаху, його теплота згоряння досягає 25 МДж/м3. Біогаз можна використовувати для спільного вироблення електроенергії й теплоти (когенераційна схема), спалювати для одержання теплоти або накачувати в балони для використання на транспорті.
Після зброджування гною утворюється біошлам, в якому міститься багато цінних речовин: амінокислоти, амонійний азот і фосфор. У біошламі містяться також вироблені мікроорганізмами вітаміни групи В. Тому шлам, що перебродив, можна використати для одержання білково-вітамінних добавок для годівлі тварин, птиці й риб. Додавання 10% сухого біошламу до основних кормів зменшує витрати сухих кормів без погіршення смакових якостей м’яса.
Органічні добрива, що утворюються під час метаногенезу, порівняно з незбродженим гноєм забезпечують додатковий приріст урожайності в середньому на 20%. Під час анаеробної переробки відбувається мінералізація азоту й фосфору, а також забезпечується їх збереженість у процесі зберігання добрив, на відміну від традиційних способів компостування, за яких до 30—40% азоту втрачається. Анаеробна переробка гною вчетверо збільшує вміст амонійного азоту, порівняно з його вмістом у незбродженому гної (за анаеробного зброджування 20—40% азоту перетворюється на амонійний). Вміст засвійного фосфору подвоюється і досягає 50% загального його вмісту.
Унаслідок дії метаноутворюючих бактерій на 90—99% зменшується проростання насіння бур’янів, яке міститься в гної ВРХ, що дає змогу поліпшувати фітосанітарний стан сільськогосподарських угідь. Мікроорганізми знищують також яйця гельмінтів та усувають неприємні запахи органічних добрив. Усі ці чинники дають змогу істотно поліпшити санітарний стан тваринницьких ферм та довколишнього середовища.
Розвиток технологій анаеробного зброджування
в країнах ЄС та у світі
У 1970–1980-х роках у світі спостерігався швидкий розвиток простих систем анаеробного зброджування для виробництва метану. Мільйони малих метантенків було споруджено в Індії, Китаї та Південно-Східній Азії. Зазвичай їх будували похапцем і без будь-якого наукового обгрунтування. Як результат такої політики, надалі від використання анаеробних систем почали масово відмовлятися. У Китаї, Індії, Таїланді не працювала належним чином половина таких установок, а у США цей показник досяг 80%. Нині малих установок у світі налічується близько 6 мільйонів.
Високоефективних біогазових установок (як промислових, так і централізованих сільськогосподарських), спроектованих на високому інженерному рівні, у світі налічується близько 1000. 44% з них зосереджено у Європі, 14% – у Північній Америці.
На підставі походження органічних відходів біогазові установки, що діють у країнах ЄС, можна поділити на кілька груп. Головними з них є такі: агрохарчова (268 установок на підприємствах цукрової, спиртової промисловості та підприємствах з переробки картоплі), нехарчової промисловості (60 біогазових установок) і непромислова (38 сільськогосподарських біогазових установок для переробки гнойових стоків).
У Данії в 1999 році працювало 20 централізованих біогазових установок, які було введено в дію з 1984-го по 1998 рік. Концепція централізованих біогазових установок передбачає надходження біомаси з кількох джерел: від довколишніх фермерських господарств, від постачальників сортованих твердих органічних відходів, а також, частково, муніципальних і промислових органічних відходів. Зброджений у біогазовій установці осад навесні й восени забирають фермери для використання його як добрива.
Окрім централізованих біогазових установок, з 1994 року в Данії ведеться будівництво маломасштабних фермерських установок с об’ємом метантенка 150—200 м3. У 1997 році вже діяло 20 таких установок, обладнаних когенераційними системами комбінованого вироблення тепла й електроенергії з біогазу. У їхніх конструкціях використовуються переважно сталеві циліндричні метантенки горизонтального й вертикального розташування.
Внесок біогазу в енергопостачання Данії становить нині 2 ПДж/рік. До 2020 року цей показник планується довести до 31 ПДж/рік (включно з газом звалищ).
У сільському господарстві Німеччини нині працюють близько 400 біогазових установок, більшість яких має об’єм метантенка 600 або 800 м3. У 1995—1998 роках було споруджено 8 централізованих біогазових установок. У 1998 році сумарна ємкість усіх працюючих метантенків становила 190 тис. м3. За оцінками експертів, у Німеччині є нагальна потреба у спорудженні принаймні 220 тис. біогазових установок, 86% з яких плануються для переробки гною. Внаслідок введення в дію такої кількості установок, частка біогазу може досягти 11% загального обсягу споживання природного газу в Німеччині.
В Австрії до 1997 року діяли 46 біогазових установок, переважно фермерського типу. Для повної переробки всього обсягу гною та органічних відходів сільського господарства необхідно ввести в дію принаймні ще 13 тис. установок такого типу. 1997 року було введено в дію 10 установок фермерського типу і 5 великих біогазових установок, що ознаменувало початок зростання біогазового сектора Австрії. До 2001 року в країні мають намір збільшити кількість біогазових установок до 150. Будівництво нових установок підтримують міністерства сільського господарства та екології.
В Італії з кінця 80-х років почали впроваджувати нове покоління біогазових установок для переробки відходів свиноферм. У 1998 році тут діяло приблизно 50 фермерських установок. З метою зниження капітальних затрат як корпус метантенків використовуються наявні бетонні ємкості для стабілізації свинячого гною, які накривають пластиковим куполом. Зазвичай ємкість такого метантенка становить близько 600 м3. Одержуваний біогаз використовують у когенераційних установках потужністю близько 50 кВт електричних і 120 кВт теплових.
Загальний виробіток енергії з біомаси в країнах ЄС становив у 1995 році
45 млн т н.е. (тонн нафтового еквіваленту), але здебільшого за рахунок використання деревної біомаси. Згідно з ухваленою програмою розвитку відтворюваних джерел енергії, в ЄС намічено до 2010 року збільшити виробництво енергії з біомаси на 90 млн т н.е. При цьому за рахунок використання біогазових установок (анаеробного зброджуванння відходів тваринництва, очищення стічних вод, використання газу звалищ) передбачається одержати 15 млн т н.е., за рахунок відходів лісу й сільськогосподарських культур — 30 млн т н.е. і за рахунок енергетичних плантацій — 45 млн. т н.е.

Георгій Гелетуха, канд. техн. наук,
Сергій Кобзар, канд. техн. наук,
Інститут технічної теплофізики НАН України, НТЦ “Біомаса”

У другій частині статті
(читайте “Пропозицію” 11`2001)
буде висвітлено питання, пов`язані
із запровадженням біогазових установок
у сільському господарстві України