Переработка органических отходов сельскохозяйственного производства, промышленности, а также домашнего хозяйства и любой другой биомассы при помощи микробов открывает широкие перспективы для использования биомассы в целях получения биогаза — высококачественного источника энергии. Производство биогаза из органических отходов насчитывает более чем полувековую историю. Анаэробное, т. е. без кислорода, разложение органических отходов для получения биогаза свыше 30 лет применяется в ряде европейских стран. В 1951 г. в ФРГ действовало 48 заводов по переработке сточных вод, которые производили 16 млн м3 биогаза в год, используемого для различных целей, и в первую очередь для городского энергоснабжения.
Особенно бурно начала развиваться биогазификация в 60-х и в начале 70-х годов. Для получения биогаза было построено огромное количество установок в Китае, Индии и других странах Юго-Восточной Азии. К настоящему времени в Китае насчитывается более 5 млн действующих установок, обеспечивающих население газом круглый год. В Индии построено более 80 тыс. таких установок. Еще совсем недавно в развитии этого направления энергетики основной упор делался па мелкомасштабное производство биогаза, удовлетворяющее потребности одной или нескольких семей, проживающих в сельских местностях. Однако в настоящее время в Китае, Индии и Шри-Ланке появился ряд крупных заводов, которые могут снабжать биогазом население целой деревни или поселка.
По оценкам советских специалистов, только органические отходы животноводства нашей страны позволяют получить количество биогаза, эквивалентное более чем 25 млн тут/год, а с учетом других видов органических отходов — до 40 млн тут/год. Сейчас в стране начали строиться и эксплуатироваться крупные биогазификационные установки.
Например, анаэробная установка по переработке навоза на свиноферме вблизи города Пярну дает свыше 6 тыс. м3 биогаза в сутки, значительное количество органических удобрении, а также улучшает санитарное состояние окружающей среды в районе свинофермы.
Анаэробное разложение биомассы является двустадийным биологическим процессом. Первая стадия включает в себя процесс превращения жиров, углеводородов и белков в простые органические кислоты при помощи кислотоформирующих бактерий. Вторая стадия связана с переводом кислот в метан и углекислоту. На этой стадии действует другой вид бактерий — так называемые метаноформирующие.
В настоящее время известно несколько биогазификационных установок, которые довольно просто устроены и дешевы (рис. 18). Основными продуктами в этих устройствах являются биогаз и отстой.
Биогаз представляет собой смесь различных газов, в которой 65% приходится па долю метана, около 30% па долю углекислого газа и примерно по 1 % па водород, кислород, сульфид водорода, азот и оксид углерода. Теплотворная способность биогаза составляет 20— 26 МДж/м3 и зависит от находящегося в нем количества углекислого газа.
Биогаз находит весьма широкое применение: для приготовления пищи, освещения помещений, в двигателях внутреннего сгорания.
Отстой, получаемый в результате анаэробного разложения, имеет гораздо большую ценность как удобрение, чем как исходный органический материал, так как содержит много азота. Опыты показывают, что применение отстоя в качестве удобрения повышает урожайность различных сельскохозяйственных культур от 10 до 28%.
Более того, отстой способствует росту сельскохозяйственных культур в засушливые периоды, резко сокращает количество сорных растений на полях, так как их семена в основном разрушаются во время ферментационных процессов. Некоторые специалисты считают, что отстой как удобрение не уступает по качеству минеральным. Эти выводы находят практическое подтверждение. Так, на Филиппинах с 1 га земли, удобренной мочевиной, было получено 6,5 т риса, в то время как использование отстоя после анаэробной газификации дало в среднем более 8 т.
Отстой может применяться и в специальных прудах для ускоренного выращивания водорослей, которые, \ в свою очередь, могут являться кормом для сельскохозяйственных животных и сырьем для анаэробного разложения при производство биогаза.
Несмотря па то что биомасса рассматривается как практически «чистый» источник энергии, специалисты многих стран изучают различного рода экологические последствия, которые могут быть значительными, если биомасса начнет широко использоваться.
Прежде всего необходимо остановиться на проблемах, возникающих в связи со сжиганием древесины. Образующиеся твердые частицы, органические компоненты, окись углерода и другие газы способны вызывать заболевания органов дыхания человека. Исследования показывают, что в дыме дровяных печей и каминов содержатся канцерогены, а также сопутствующие канцерогенам вещества и токсичные вещества органического происхождения. И хотя изучение продуктов горения древесины началось сравнительно недавно, специалисты приходят к заключению, что по концентрациям некоторых опасных загрязнителей окружающей среды они превосходят продукты горения нефти и ее производных.
Другим важным экологическим аспектом сжигания древесины являются значительные тепловые потери. Средний КПД устройств для сжигания дерева в развивающихся странах не превышает 10%. А это означает, что около 90% энергетического потенциала древесины выбрасывается в окружающую среду. В ряде европейских стран КПД дровяных печей достигает 25—30%. При этом надо учитывать, что тепло, получаемое в процессе сжигания древесины, тратится не только на приготовление пищи, но также на обогрев помещений, сушку некоторых продуктов питания и т. д. Совершенно очевидно, что необходимо существенно повысить эффективность этих печей. Это позволит значительно сократить потребление древесины, а следовательно замедлить процесс уничтожения лесов. Однако при этом должен быть найден оптимальный вариант топочных устройств, так как некоторые из них способствуют появлению в дыме повышенного количества указанных выше компонентов.
Рис. 18. Конструктивные схемы различных биогазификационных установок
а — газогенератор с фиксированным сводом
1 — компост; 2 — сборник газа; 3 — выход газа; 4 — загрузка навоза; 5 — резервуар отработанных компонентов; 6 — основной резервуар
б — газификационная установка, широко применяемая в КНР
- земля; 2 — ферментационная камера; 3 — загрузка навоза; 4 — газ; 5 — отбор компоста для удобрений
в — газификационная установка с подвижным стальным накопителем биогаза
1 — земля; 2 — ферментационная камера; 3 — подвижный накопитель газа; 4 — выход газа; 5 — загрузка навоза; 6 — отбор компоста
г — газификационная установка с мягкой оболочкой для сбора биогаза 1 — навоз; 2 — оболочка газового резервуара; 3 — груз; 4 — отбор газа; 5 — отбор компоста; 6 — загрузка навоза
В данном случае дровяные печи начинают работать как газификаторы или пиролизные установки, что приводит к повышенным газовым выбросам, загрязняющим окружающую среду и оказывающим нежелательное влияние на человеческий организм.
Производство биогаза из различного рода биомассы благоприятно воздействует на окружающую среду. Особенно этот фактор важен для сельских и некоторых городских районов, где зачастую отсутствует канализация. Биоотходы содержат в себе питательную среду для возникновения и бурного развития насекомых-вредителей, микробов и бактерий, представляющих серьезную опасность для человеческого организма. Это прежде всего возбудители холеры, тифа, дизентерии и других заболеваний, а также личинки различного рода кишечных паразитов.
Анаэробное разложение этих отходов в целях получения биогаза позволяет в большинстве случаев ликвидировать упомянутые патогенные факторы. Кроме того, производство и употребление биогаза уменьшают потребность в древесине, а следовательно, замедляют процесс уничтожения лесов. По сравнению с древесиной биогаз является значительно более чистым топливом, не производящим опасных для человеческого организма газов и частиц.
Вместе с тем необходимо предусматривать определенные меры предосторожности при производстве и потреблении биогаза, так как метан взрывоопасен. Поэтому системы его хранения, транспортировки и использования должны регулярно контролироваться.
Ферментационные процессы по переработке биомассы в этанол производят большое количество побочных продуктов, таких, как сточные воды и отходы процессов перегонки. Остатки перегонки, пожалуй, самый серьезный источник загрязнения окружающей среды, поскольку их количество в несколько раз (до 10) превышает производимый продукт, т. е. этиловый спирт. В среднем, по оценкам экспертов, 2 л остатков перегонки могут загрязнить водоем в такой же степени, как сточные воды, образующиеся в результате жизнедеятельности одного человека в течение суток.
Вместе с тем необходимо отметить, что остатки перегонки не содержат патогенных организмов и токсичных элементов, а извлечение минеральных веществ из этих отходов представляет интерес для химической промышленности. Считается технико-экономически оправданным перерабатывать отходы перегонки в удобрение, а также в добавки к метану, которые повышают его теплотворную способность. В настоящее время необработанные отходы перегонки широко употребляются в качестве удобрений на плантациях сахарного тростника в Бразилии, что позволяет значительно сократить или даже исключить использование минеральных удобрений.
Применение же этилового спирта в качестве 10%-ной или 20%-ной добавки к бензину существенно улучшает состав выхлопных газов автомобилей, уменьшая в них соответственно на 20 и 30% содержание углеводородов, на 18 и 35% окиси углерода, наиболее вредного для здоровья человека компонента выхлопных газов. Добавки спирта в бензин имеют также антидетонирующее свойство, поэтому отпадает необходимость использования присадок свинца как антидетонатора. Наличие же свинца в выхлопных газах крайне нежелательно. Необходимо отметить, что при добавках этилового спирта в бензин наблюдается некоторое увеличение содержания ангидридов в продуктах сгорания, возможные последствия которого для организма человека еще недостаточно изучены.
В заключение необходимо отметить, что современные методы переработки биомассы, и особенно органических отходов деятельности человека, открывают новые перспективы для использования этого поистине неисчерпаемого источника энергии и позволяют решать многие проблемы охраны окружающей среды.
