Микробы

Обострение экологических проблем, истощение запасов невозобнов­ляемых энергоресурсов, рост цен на них, обусловили глобальный интерес к разработке и использованию технологии биоконверсии органических отходов для получения тепловой и других видов энергии.

Известно, что животные плохо усваивают энергию растительных кор­мов и более половины ее уходит в навоз, который прежде всего является ценнейшим видом органических удобрений. Вместе с тем, он может быть использован в качестве возобновляемого источника энергии. Концентра­ция животных на крупных фермах и комплексах обусловила увеличение объемов навоза и навозных стоков, которые должны утилизироваться, не загрязняя окружающую среду.

Одним из путей рациональной утилизации навоза и навозных стоков является их анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезврежи­вание навоза и сохранение его как важнейшего органического удобрения при одновременном получении биогаза.

Очистные сооружения, использующие анаэробное брожение для об­работки органических отходов, известны с конца прошлого столетия. Первый такой опыт относится к 1895 г., когда в английском городе Экзе-тер был введен в эксплуатацию так называемый септиктенк для очистки коммунальных отходов. Помимо чисто санитарных задач, эта установка обеспечивала получение биогаза, который использовался для освещения улиц.

Анаэробный метод обработки отходов долгое время применялся для стабилизации осадков водоочистных станций и отходов животноводства. Однако с началом энергетического кризиса 1970-х годов этот метод при­влек особое внимание в связи с идеей получения биогаза в основном из навоза сельскохозяйственных животных.

Анаэробное сбраживание навоза с получением биогаза осуществляет­ся в специальных биогазовых установках, основными элементами кото­рых являются герметические емкости (рис. 8.1).

Технологический процесс обработки навоза осуществляется следую­щим образом. Из животноводческого копительную емкость 2, далее фекальным насосом 3 его загружают в ме­тантенк 4 (емкость для анаэробного сбраживания навоза). Биогаз, обра­зующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер 5 и далее к потре­бителю. Для нагрева навоза до температуры брожения и поддержания теплового режима в метантенке установлен теплообменник б, через кото­рый протекает горячая вода, нагреваемая в котле 7. Сброженный навоз выгружают в навозохранилище 8.

В метантенке обеспечиваются все необходимые параметры процесса (температура, концентрация органических веществ, кислотность и др.). Метантенк имеет тепловую изоляцию, позволяющую обеспечивать и поддерживать на заданном уровне температурные режимы сбраживания, в нем также имеется устройство для постоянного перемешивания навоза. Поступление навоза в метантенк регулируется так, чтобы процесс сбра­живания протекал равномерно.

Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая по­следовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанообразующих бактерий превращают­ся в газообразные продукты — метан и углекислоту. Степень разложения органического вещества при анаэробном сбраживании навоза составляет 25—45 %.

-  Деградация органических веществ при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором углеродные связи постепенно разрушаются под действием различных групп микроорганизмов. Соглас­но современным воззрениям, анаэробное превращение практически лю­бого сложного органического вещества в биогаз проходит через четыре последовательных стадии гидролиз сложных биополимерных молекул (белков, липидов, по­
лисахаридов и др.) на более простые мономеры: аминокислоты, углево­
ды, жирные кислоты и др.;

-  ферментация (брожение) образовавшихся мономеров до еще бо­
лее простых веществ — низших кислот и спиртов, при этом образуются
также углекислота и водород;

-  ацетогенная стадия, на которой образуются непосредственные
предшественники метана: ацетат, водород, углекислота;

-  метаногенная стадия, которая ведет к конечному продукту расще­
пления сложных органических веществ — метану.

Первичные анаэробы разлагают органические вещества до предшественников мета­на: водорода и углекислоты, ацетата, метанола, метиламидов, формиата. Ввиду субстратной специфичности метаногенов их развитие без трофи­ческой связи с бактериями предыдущих стадий невозможно. В свою оче­редь, метановые бактерии, используя вещества, продуцируемые первич­ными анаэробами, определяют возможность и скорость реакций, осуще­ствляемых этими бактериями. Центральным метаболитом, осуществляю­щим регуляторную функцию в метанообразующем сообществе, является водород. За счет поддержания низкого парциального давления водорода в системе становится возможным его межвидовой перенос, меняющий метаболизм первичных анаэробов в сторону образования непосредствен­ных предшественников метана. Если водород из системы не удаляется, то образуются более восстановленные продукты — летучие жирные кисло ты и спирты. Метаболизм этих соединений осуществляется синтрофны-ми бактериями, для жизнедеятельности которых необходимо связывание образующегося водорода метановыми бактериями.

Физические свойства биогаза позволяют судить о воз­можностях его использования. Объемная теплота сгорания, температура воспламенения и предел воспламеняемости определяются в основном со­держанием СН4, поскольку незначительное количество Н2 и H2S на этот показатель почти не оказывает влияния, зоо

Биогаз успешно применяется как топливо. Его можно сжигать в го­релках отопительных установок, водогрейных котлов, газовых плит, ис­пользовать в холодильных установках абсорбционного типа, в инфра­красных излучателях, в автотракторных двигателях, в газовом цикле Отто (с искровым зажиганием) и газодизельном цикле (с впрыскиванием небольшой дозы запального дизельного топлива). Карбюраторные двига­тели легко переводятся на газ: достаточно заменить карбюратор на смеси­тель.

При производстве электроэнергии из биогаза в электрический ток преобразуется всего 30 % его энергоресурса, остальная часть — отброс­ная теплота. Ее можно использовать при нагревании воды для бытовых нужд и содержания скота, отопления жилых помещений и теплиц, подог­рева воздуха для сушилок, а также при регулировании микроклимата в животноводческих помещениях и нагрева навоза до нужной температуры брожения в биогазовых реакторах.

Кроме того, метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодо­рацию, дегельминтизацию, уничтожение способности семян сорных рас­тений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями минеральную форму. При анаэробной обработке навоза фосфор и калий практически пол­ностью сохраняются в сброженной массе. Потери азота, которые при дру­гих методах обработки навоза составляют до 30 %, в процессе метаноге-неза не превышают 5 %. При этом значительная часть азота, присутст­вующего в свежем навозе в форме органических соединений, в сброжен­ном— содержится в аммиачной форме, которая быстро усваивается растениями.

Экономическими критериями невозможно оценить тот факт, что ана­эробная переработка навоза животных находится в полном согласии со все более строгими требованиями к соблюдению принципов охраны ок­ружающей среды. Навоз после анаэробной обработки является дезодори­рованным, биологически стабилизрованным, не привлекает насекомых.

После анаэробной обработки в навозе значительно уменьшается со­держание пахнущих веществ При анаэробной обработке наличие поливирусов снижается на 98,5 %, индекс Э. коли — от 108 до 105—104 и зародышей паразитов на 90—100%.

Экологические требования к природоиспользованию приобретают особое значение в условиях хозрасчета, когда требуется возмещение ис­пользованных природных ресурсов законодательными актами. При высо­ких ценах на энергию перспективной становится малоэнергоемкая анаэ­робная биологическая очистка с положительным выходом энергии в виде