Биогаз

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 биогаз
съставка	хим. формула	мерна ед.	концентрация
метан	CH₄	% обем	50 – 75
въглероден двуокис	CO₂	% обем	25 – 45
вода	H₂O	% обем	2 – 7
сероводород	H₂S	ppm	20 – 20000
азот	N₂	% обем	<2
кислород	O₂	% обем	<2
водород	H₂	% 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)
субстрат	сухо вещество, [%]	органично сухо вещество, [% от сухото вещество]	добив биогаз, [норм л/кг органично сухо вещество]	съдържание на метан, [%]
Селскостопански торове
птичиа тор	40	75	500	55
говежда тор	25	85	450	55
говежда тор, течна	10	80	380	55
свинска тор, течна	6	80	420	60
Енергийни растения
смес царевица и кочан (CCM corn-cob-mix)	65	98	730	52
силаж от фуражно цвекло	16	90	700	52
силаж от зърнени растения	35	95	620	53
зърно, мляно	85	97	730	52
силаж от треви	35	90	600	53
силаж от незряла ръж	25	90	600	53
силаж от детелина	30	90	580	55
силаж от детелина и люцерна	30	90	530	55
царевица на зърно, мляно	87	98	730	52
силаж от озеленителни треви	50	85	200 – 400	50
силаж от царевица, цяло стъбло	35	95	650	52
силаж от слънчоглед	25	90	520	57
силаж от сорго и просо	28	90	610	52
пшенична слама, 10 мм, след преработка	86	90	400	52
силаж от захарно цвекло	23	90	700	52
Органични промишлени остатъци
комунални органични отпадъци	40	50	615	60
отпадъци от зърнопреработка	88	85	650	60
зърнени отпадъци след алкохолна дестилация	6	94	700	55
глицерин, 99%, 1,3 кг/л	100	99	850	50
картофени отпадъци след алкохолна дест.	6	85	670	54
соеви трици, 15% остатъчно олио	92	87	660	60
хранителни органични отпадъци	16	87	680	60

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.

С_nH_aO_bN_d + (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 биополомери
вещество	биогаз [л/кг сухо вещество]	метан [%]
усвоими белтъчини	600 – 700	70 – 75
усвоими мазнини	1000 – 1250	68 – 73
усвоими въглехидрати	700 – 800	50 – 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)
показател	описание	интервал
брой на степените	едностепенен
	двустепенен
	многостепенен
съдържание на сухо вещество на субстрата	мокра ферментация	< 15%
съдържание на сухо вещество на субстрата	суха ферментация	> 15%
начин на захранване	непрекъснато
начин на захранване	прекъснато
температура на процеса	психрофилен	< 20ºС
	мезофилен	30 – 37ºС
	термофилен	55 -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 метод	захранване	вид	производител	степен на разработка
хоризонтален	непрекъснат	Kompogas	www.hz-inova.com	на пазара
силажен	непрекъснат	Dranco	www.ows.be	на пазара
	непрекъснат	ATF	www.kriegfischer.de	пилотен мащаб
	непрекъснат	Valorga	www.valorgainternational.fr Архив на оригинала от 2021-12-27 в Wayback Machine.	на пазара
	непрекъснат	Järna, Schweden	www.mtt.fi	пилотен мащаб
перколация	непрекъснат	BioPercolat	www.wehrle-umwelt.com	на пазара
	прекъснат	Bekon	www.bekon.eu	на пазара
	прекъснат	Bioferm	www.biofermenergy.com	на пазара
	прекъснат	Loock-TNS	Loock Consultants Helektor GmbH	на пазара
	прекъснат	3-A	www.3a-biogas.com	на пазара
натрупване	прекъснат	Aufstau-Boxen	www.biogas-ratzka.de	на пазара
натрупване	прекъснат	Folienschlauch	www.ag-bag.com	на 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

Съхранението на остатъците след ферментацията е важен момент при правилното стопнисване на биогазовите инсталации. То се извършва във водонепромокаеми басейни, които могат да бъдат изградени под или над земята. Размерите им трябва да се изчислят с капацитет на съхранение от най-малко 6 месеца, за зимния сезон. Освен това трябва да бъдат предвидени 20 свободни сантиметра от ръба на стената, а при открити хранилищни басейни и допълнителни 30 свободни сантиметра за дъждовна вода. Ферментационните остатъци от биогазовата инсталция се характеризират с по-високо съдържание на амоний. Поради по-високия pH се стимулира орделянето му под формата на амоняк в атмосферата. Като цяло откритите хранилищни басейни могат да доведат до проблеми с емисиите на газове, като например остатъчен метан. При правилно и напълно протекла ферментация не би трябвало да се отделят неприятни миризми. Бетонните части на басейна трябва да се обработят за киселинна защита или да се използва емаелирана или неръждаема стомана. След подходяща преработка, остатъците от ферментацията се използват за торене (фигура 3).

Литература

Gerardi, M.H., 2003. The Microbiology of Anaerobic Digesters, Wastewater Microbiology Series. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. ISBN 0-471-20693-8
Speece, R.E., 1996. Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters. Archae Press, ISBN 978-0-9650226-0-6
Ferry, J.G., 1993. Methanogenesis: Ecology, Physiology, Biochemistry & Genetics. Springer, ISBN 978-0-412-03531-9
FNR, 2006. Biogasgewinnung-und nutzung, Handreichung. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., Gülzow

Източници

Braun, R., 1982. Biogas – Methangärung organischer Abfallstoffe : Grundlagen u. Anwendungsbeispiele. Springer, Wien; New York, ISBN 3-211-81705-0
Buswell, A.M., Hatfield, W.D., 1936. Anaerobic fermentations. Bull. 32 Division of State Water Survey, 194.
Döhler, H., Eckel, H., Fröba, N., Grebe, S., Hartmann, S., Häussermann, U., Klages, S., Sauer, N., Nakazi, S., Nienbum, A., Roth, U., Wirth, B., Wulf, S., 2013. Faustzahlen Biogas, 3rd ed. KTBL Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V., Darmstadt, Germany. ISBN 978-3-941583-85-3
Fuchs, W., Drosg, B., 2010. Technologiebewertung von Gärrestbehandlungs-und Verwertungskonzepten. ISBN 978-3-900962-86-9
Rutz, D., 2012. Nachhaltige Wärmenutzung von Biogasanlagen – Ein Handbuch. WIP Renewable Energies, München. ISBN 978-3-936338-30-0
VDI 4630, 2006. Fermentation of organic materials Characterisation of the substrate, sampling, collection of material data, fermentation tests, in: The Association of German Engineers. VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt, Düsseldorf, p. 92.