участвующих на этом этапе бактерий и множества других факторов. Поэтому невозможно абсолютно точно просчитать и предсказать характер протекания реакции и количественные показатели на выходе.
Процесс анаэробного брожения различают также по температуре его протекания. Есть три температурных диапазона, при которых наблюдаются локальные максимумы интенсивности процесса брожения. Косвенным показателем этой интенсивности является объем выделяемого биогаза в единицу времени. Первый температурный режим анаэробного брожения называется психрофильным. Психрофильное брожение происходит в диапазоне температур 15-250C. Второй температурный режим называется мезофильным. Мезофильное брожение происходит в диапазоне температур 30-400C. Третий температурный режим называется термофильным. Термофильное брожение происходит в диапазоне температур 50-560C.
В каждом более теплом температурном режиме метаболизм бактерий происходит примерно в два раза быстрее, чем в предыдущем. Соответственно, биогаз выделяется примерно в два раза быстрее. Но более высокотемпературный процесс менее устойчив и более капризен, чем предыдущий. Поэтому самые простые биогазовые установки работают обычно в психрофильном режиме. Большие промышленные установки работают обычно в мезофильном режиме.
Обычно у всех «чайников» возникает вопрос: откуда берутся эти бактерии, которые обеспечивают анаэробное брожение? Ответ простой: эти бактерии живут в желудках практически всех животных на земле. Особенно много бактерий третьей и четвертой фаз брожения находится в желудках жвачных животных (коровы, овцы, кони, козы и т.д.).
Как всем известно, нормальная температура тела у млекопитающих на Земле лежит в диапазоне 35- 400C. Например, для человека это 36,60C. Отсюда становится понятно, почему большинство биогазовых установок работают в мезофильном режиме при температуре реакции 37-380С.
Кстати, бактерии, работающие в двух первых фазах, эффективнее функционируют при температурах психрофильного режима. Поэтому существует технология двухстадийного анаэробного брожения, когда реакция происходит в двух последовательно соединенных емкостях. В первой емкости происходят две первые фазы анаэробного брожения при температуре 250C. Во второй емкости происходят третья и четвертая фазы при температуре 37-380C. Такое решение позволяет оптимизировать и стабилизировать протекание процесса для некоторых типов сырья.
До сих пор нет единого мнения по поводу того, какие бактерии работают на третьей и четвертой фазах в разных температурных режимах. Одни утверждают, что это разные виды бактерий. В реальном мире они есть повсюду, но активизируются, только попав в подходящие условия. Другая теория гласит, что это одни и те же бактерии приспосабливаются к разным температурам и работают в разных режимах метаболизма.
Если взять какое-нибудь подходящее органическое сырье, поместить его в подходящую герметичную емкость с газоотводом и обеспечивать поддержание стабильной температуры соответствующего режима и периодическое перемешивание, то получится лабораторная биогазовая установка с однократной загрузкой. График зависимости скорости выделения биогаза от прошедшего времени брожения будет выглядеть в виде плавного горба. Это легко объяснимо. Сначала начинаются первые стадии брожения, а потом уже в действие вступают последние стадии. Но количество органического сырья в лабораторном реакторе ограничено. Это вещество разлагается, количество неразложенной органики уменьшается, и выход биогаза падает. Постепенно выход упадет до нуля. Это будет означать, что вся органика в сырье разложилась до неорганических солей. Процесс полного разложения даже в термофильном режиме занимает очень значительное время. В мезофильном режиме это время измеряется месяцами. Однако, если принять во внимание только значения выхода биогаза, близкие к максимальным, то такое время будет лежать в диапазоне двух-четырех недель для мезофильного режима. Время это зависит от состава исходного сырья и называется длительностью цикла анаэробного брожения. Естественно, что если остановить брожение в конце этого цикла, то в реакторе останется частично разложенная органика. Обычно глубина разложения органики в конце цикла составляет 40-60%. Это значит, что в конечном субстрате масса органики составляет 40-60% от массы органики в субстрате, которым был изначально заполнен реактор. На такое «недображивание» идут сознательно с целью получения максимальной скорости выхода биогаза и минимизации размеров биогазовой установки.
Обычно биогазовые установки не работают так, как в лаборатории. В них сразу закладывают полную порцию сырья, чтобы заполнить реактор. Потом, когда реакция начинается и стабилизируется, сырье добавляют регулярно небольшими порциями, одновременно сливая перебродившую массу. Поэтому понятие длительности цикла для них заменяется понятием «времени гидравлического пребывания» в реакторе. Это условная величина, которая характеризует среднее время, которое проведет в реакторе очередная порция свежего субстрата.
3. Распространенные заблуждения.
За длительное время общения с «чайниками» в технологиях анаэробного брожения собралась коллекция самых распространенных заблуждений на тему биогаза и биогазовых установок. Попробуем проанализировать их здесь.
Первое и самое распространенное заблуждение – это когда «чайники» считают, что биогазовая установка предназначена для получения энергии, и что они себя с помощью биогазовой установки этой самой энергией дешево обеспечат. На самом деле, биогазовая установка предназначена в первую очередь для утилизации вредных для окружающей среды органических отходов и превращения их в полезное и эффективное органическое биоудобрение. Энергия – побочный продукт работы биогазовой установки. Поэтому, если у Вас нет стабильного источника достаточного количества бесплатных или дешевых органических отходов, не стоит задумываться о биогазовой установке. Купите лучше дров или угля, дешевле и проще получится.
Второе заблуждение – это то, что биогазовая установка якобы может представлять какую-то опасность для окружающих. Конечно, абсолютно безопасной ее назвать нельзя так же, как и любое другое техническое устройство. Но реактор БГУ не может взорваться от высокого давления, потому что относительное давление в нем не превышает сотых долей атмосферы. Биогаз в газгольдере не может взорваться, потому что он не смешан с воздухом, и, даже если каким-то чудом внутри газгольдера проскочит искра, она ничего не сможет зажечь. В выходном шламе из реактора нет болезнетворных бактерий, нет яиц глистов и всхожих семян сорняков. Высушенный и измельченный в муку шлам даже применяют в качестве кормовой добавки для скота. Утечка биогаза в проветриваемом помещении или на открытом воздухе не приведет к отравлению или удушью окружающих, так как биогаз быстро улетучится в воздух.
Третье заблуждение – это то, что пищевых отходов и стоков туалета обычной семьи хватит для обогрева частного дома. Если бы все было так чудесно просто, то энергетические компании не правили бы миром. В дальнейших главах будет показано, сколько биогаза можно получить из определенного количества сырья и почему. Но фактически, биогазовая установка – это сельскохозяйственная техника, ибо только в сельском хозяйстве и пищевой промышленности может возникать достаточное количество органических отходов для того, чтобы экономически оправдать целесообразность их переработки методом анаэробного брожения.
Четвертое заблуждение – это то, что из полученного в малой биогазовой установке биогаза можно будет выработать электроэнергию, получить тепло для обогрева дома и топливо для заправки автомобиля. Да, теоретически все это возможно. И практически все это делают, но только на больших промышленных биогазовых установках. Устройство, которое позволяет получить из биогаза электрическую и тепловую энергию, называется когенератор. Бывают газопоршневые и газотурбинные когенераторы. Первые сделаны на базе двигателей внутреннего сгорания, вторые – на базе газотурбинного двигателя. Промышленно выпускаемые когенераторы рассчитаны на большие объемы потребляемого биогаза и на большие генерируемые электрические мощности. Из 1 м3 биогаза можно выработать до 2,3 кВт*ч электрической энергии. А модели промышленных когенераторов обычно начинаются с электрических мощностей в 50 кВт. То есть, в сутки такой когенератор при работе на номинальном режиме потребляет 50*24/2,3=522 м3 биогаза. Малые же биогазовые установки обычно в сутки выдают 5-50 м3 биогаза. Удельная стоимость серийно выпускаемых когенераторов составляет от 500 до 2000 USD за 1 кВт электрической мощности. В продаже в некоторых странах можно найти газопоршневые генераторы резервного электропитания малой
