Биоконверсия органических остатков для сельских общин / Генерация биогаза: разработки. Проблемы и задачи - обзор
Э. Дж. ДаСилва
Отдел научных исследований и высшего образования, ЮНЕСКО, Париж, Франция
В последние годы биогазовые системы привлекли значительное внимание как перспективный подход к децентрализованному развитию сельских районов. Развитые и развивающиеся страны и несколько международных организаций проявили интерес к биогазовым системам в отношении различных целей: возобновляемый источник энергии, биоудобрение, переработка отходов, развитие сельских районов, общественное здравоохранение и гигиена, контроль загрязнения, управление окружающей средой, соответствующие технологии и техническое сотрудничество. В контексте микробиологической программы ЮНЕП/ЮНЕСКО/ICRO, которая спонсируется совместно Программой ООН по окружающей среде, ЮНЕСКО и Международной организацией по исследованию клеток, уже было проведено несколько семинаров в Джокьякарте, Маниле, Мехико, Сингапуре и Бангкоке в попытке стимулировать применение этой признанной недорогой, безотходной технологии, которая все чаще используется для управления окружающей средой и улучшения поиска альтернативных источников топлива, продуктов питания и удобрений (1 - 4). В начале 1979 года в Бандунге совместно с IFIAS и ЭСКАТО/ЮНИДО будет проведен семинар, посвященный непосредственно сельскому микробиологическому развитию и интегрированной системе биогазового земледелия. В этом контексте есть надежда, что эта деятельность по теме «Современное состояние биоконверсии органических остатков для сельских общин», совместная деятельность Университета ООН в рамках программы «Всемирный голод — природные ресурсы», получающая поддержку ЮНЕСКО и Группы ЮНЕП/ЮНЕСКО/ICRO, внесет значительный вклад в применение процессов биоконверсии для сельских общин.
Использование микробной активности для обработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов является обычной практикой на протяжении полувека. Обработка включает в себя аэробный процесс с использованием активного ила и анаэробный или метановый метод ферментации; последний прост, не требует импортных ноу-хау или компонентов, подходит для сбраживания в масштабах небольшой семьи или деревни и является единственным процессом, использующим отходы как ценный ресурс. Использование метана, имеющее большое значение для развивающихся стран, до недавнего времени ограничивалось из-за общественной антипатии или из-за наличия других, более дешевых источников энергии. Но, как видно из таблиц 1 и 2, биогазовая технология сегодня является достаточно значительным производителем энергии, чтобы привлечь внимание значительного числа стран (5) и агентств.
ТАБЛИЦА 1. Содействие исследованиям и разработкам, связанным с использованием биогаза
| Место | Спонсоры исследований и разработок в области биогаза | Количество растений | Использование остаточного материала и общие замечания |
| Бангладеш | Центральное правительство; Бангладеш Академия развития села | 20 (в разработке) | Удовлетворение потребностей в удобрениях; разработка кооперативных или семейных биогазовых установок в сельской местности |
| Китай | Местные органы власти | 200 000 (Сычуань) | Растения размером с семью |
| Острова Кука | Центральное правительство | 1 (Роратонга) | Интегрированная животноводческая ферма со свинарниками; стимулирование роста водорослей и рыбы для производства белка |
| Эквадор | Семейное кооперативное усилие в Илумане | Разработка биогазового реактора для обеспечения топливом индивидуальных домов и общественной пекарни | |
| Фиджи | Частное предприятие | 10 | Развитие сельской местности |
| Индия | Правительство Индии: Всеиндийский координированный проект | 36,000 | Цель — 100 000 единиц к 1978 году |
| Дели | Управление развития Дели Делийская молочная корпорация Индийские сельскохозяйственные исследования Институт Индийский технологический институт (БЕРГ) | Исследования по биогазовому реактору: проектирование, конструкция и мощность Пионер в области исследований биогаза и разработка Исследования биоразлагаемой целлюлозы субстраты | |
| Харьяна | Национальный научно-исследовательский институт молочного хозяйства, Карнал Ферма Мутука, деревня Хатари | 12 | 12 действующих установок (от 100 до 200 куб. футов) в округах Сонепат и Гургаон |
| Уттар-Прадеш | Газовая исследовательская станция Гобар, Аджитмал Национальный институт Сугон, Канпур Развитие национального животноводства Научно-исследовательский и консультационный институт, | Пионер в области исследований биогаза и разработка Исследование жома как субстрата 10 действующих установок (от 60 до 500 куб. футов) в районах Девиапур и Кашипур Кашипур | |
| Гаджарат | Храм Тулси Шьям, Уна | Установка объемом 3000 куб. футов используется для поставки только электричество | |
| Махараштра | Национальная экологическая инженерия Институт, Нагпур Khadi и деревенская промышленность Комиссия Ганди Самарак Нидхи, Пуна Национальный научно-исследовательский институт молочного хозяйства, Бомбей (региональная станция) Индийский технологический институт, Бомбей (см. также в разделе Тамилнад) | Исследования изоляционных материалов для минимизировать потери тепла в зимние месяцы Пионер в области исследований биогаза и разработка 55 заводов работают на основе ночного неплодородного удобрения Успешно экспериментировал на «интегрированная система земледелия», которая приносит корм для скота, фрукты и овощи Использование биогаза для дизельного топлива двигатели | |
Андхра Прадеш | Корпорация электрификации сельских районов, Каримнагар | Установка на 4500 куб. футов для местного сообщества разработка с технической помощью от Совета по науке и Промышленные исследования | |
| Орисса | Центральный научно-исследовательский институт риса, Каттак | Производство биогаза из культур азолла | |
| Тамил Наду | Индийский технологический институт, Мадрас (в сотрудничестве с ИИТ, Бомбей и индийская нефть Научно-исследовательский центр, Фаридабад) Шри АММ Муругаппа Четтиар Исследовательский центр | Исследования по использованию биогаза в бензине керосиновые и дизельные двигатели Разработка недорогих материалов для биогазовые реакторы | |
| Пондичерри | Ауровильский ашрам | Ведется работа по включению водорослей. в биогазовой системе | |
| Индонезия | Дайан Деса Индонезийский совет добровольных Услуги, Технологии разработки Центр, ITB, Бандунг | 12 | Усиление предварительного программа; региональная сеть предложена для обучения и эксплуатации биогаза процессы завода |
| Япония | Министерство международной торговли и промышленности (MITI); Национальный Институт животноводства; Комитет по биоконверсии Агентство промышленной науки и Технология; Завод M/S Hitachi Строительство Ферментация Научно-исследовательский институт, Инаге | Контроль загрязнения биогазовое сбраживание процессы подразумевают использование термофильные микроорганизмы | |
| Корея (Республика) | Организация развития села; Институт сельскохозяйственного машиностроения и использование, Сувон; Корея-Великобритания Проект обучения работе с сельскохозяйственной техникой | 29,400 | Производство продуктов питания и удобрений; 55 000 единиц запланировано к 1985 году |
| Непал | Развитие и консалтинг Услуги, Технический институт Бутвала; Энергетические исследования и разработки Группа; Университет Трибхувана | 10 | Планируется 200 единиц |
| Филиппины | Национальный институт науки и Технологии; Национальный институт Животноводство, фермы майя, Ангоно | 100 | Поддерживает рост водорослей в пруды фотосинтетического окисления; орошение огородов |
| Таиланд | Департамент экономики сельского хозяйства, Санитария Отдел, Департамент здравоохранения, Министерство Общественное здравоохранение; Университет Махидол; Университет Касетсарт; Прикладная наука Научно-исследовательская корпорация Таиланда (MIRCEN - Микробиологические ресурсы) Центр) | 225 | 50 установок для переработки отходов запланированы на каждый год с 1975 года для приготовления пищи и освещения цели |
| Верхняя Вольта | Службы исследований и приложений Техники, Société Africaine d'Etudes et de Développement | Исследования по разработке биогаза | технология инициирована |
| Великобритания | Национальный центр альтернативного образования Технологии, Уэльс | Демонстрационные работы по метану поколение | |
| Соединенные Штаты | Biogas of Colorado, Inc., Денвер | Разработка мобильного демонстрационная установка для выработки биогаза для использования в сельских районах Колорадо. Завершенный блок в корпоративных солнечных батареях система контроля температуры для использования в зима Акцент делается на простоте технологии. | |
| Шри-Ланка | Совет по промышленному развитию Министерство промышленности | Планируется 100 региональных центров; Сельские Энергетический центр, запланированный совместно с ЮНЕП, удовлетворить основные потребности в энергии Деревенская община (50-200 семей) |
Источники: SK Subramanian, Bio-Gas Systems in Asia, Институт развития менеджмента, Нью-Дели, 1977; Документы агентств ООН.
ТАБЛИЦА 2. Международные агентства, занимающиеся исследованиями, обучением и программами развития биогаза
| Агентство | Область | Замечания |
Экономическая и социальная комиссия для Азии и Тихого океана (ЭСКАТО) | Экспертиза технологических и экономические аспекты (проекты ЭСКАТО по биогазовая технология и ее использование при поддержке Организации Объединенных Наций Программа развития) | Семинары - Манила, Нью-Дели, Бангкок, и (с правительством помощь Нидерландов), Фиджи |
| ФАО | Утилизация агропромышленных отходов | Семинар ЮНЕП/ФАО «Остатки Использование - Управление Сельскохозяйственный и агропромышленный Отходы", Рим, 1977; информация доступно в бюллетенях ФАО, сборник технологий и всемирный справочник учреждений |
Международное исследование клеток Организация (ICRO) | Содействие научным исследованиям и разработкам обученной рабочей силы | Группа экспертов ЮНЕСКО/ICRO по микробиологии |
Международное развитие Исследовательский центр (IDRC) | Поддерживает исследования, направленные на адаптацию наука и техника к конкретному потребности развивающихся стран | Встреча по идентификации проекта IDRC «Социально-экономическая оценка «Биогазовая технология», Шри-Ланка, 1976 г. |
Международная федерация институтов для углубленных исследований (IFIAS) | Выявление и продвижение исследований через заказные исследования | См. в разделах ЮНЕСКО и ЮНЕП/ЮНЕСКО /МКР Группа по микробиологии |
| ЮНЕСКО | Продвижение основных микробиологических исследования и разработки обученных рабочая сила | В сотрудничестве с ICRO training курс «Утилизация отходов Микроорганизмы" Куала-Лумпур, 1972, и с IFIAS, заказал исследование на тему "Энергетическая саморегуляция" Достаточность — осуществимое предварительное условие для самостоятельности" |
Группа ЮНЕП/ЮНЕСКО/МИКРО по Микробиология в тесном сотрудничестве с ЮНЕП, ЮНЕСКО, ICRO и IFIAS | Содействие исследованиям в области недорогих немедицинских технологий микробные технологии, производящие отходы и развитие обученной рабочей силы на установленных микробиологических ресурсах центры (MlRCEN) в Бангкоке, Каире, Найроби, Порту-Айегре и Стокгольм. Распространение информации о микро- организмы через мировые данные Центр в Брисбене | Курсы повышения квалификации в Индонезии; Таиланд, Филиппины, Республика Корея, Кения, Египет, Мексика, Гватемала, Сингапур, Кувейт, Новый Дели и т.д. по переработке отходов и управление окружающей средой с использованием микробы |
Организация Объединенных Наций по окружающей среде Программа (ЮНЕП) | Управление окружающей средой и противодействие загрязнению | Программа ЮНЕП по развитию энергетики в сельской местности - пилотные проекты в сотрудничестве с (i) Научно-исследовательский институт Брейса, Макгилл Университет, Канада: Африканская сельская местность Энергетический центр в Сенегале (ii) Университет штата Оклахома, США; Азиатский проект по исследованию энергетики в сельской местности, Шри-Ланка (iii) Распространение информации через Международную реферальную службу ЮНЕП Система (IRS) |
| ЮНИСЕФ | Предоставление основных услуг детям | Исследования по вкладу биогаза системы для деревенских технологий и сельских разработка |
| ЮНИДО | Распространение информации о биогазе | Предлагаемый проект: Биогазовые установки - помощь в мобилизации существующая технология и ее передача и комплексное развитие |
| ЮНИТАР | Предоставление специализированного обучения | Семинар «Микробная энергетика» «Конверсия», Геттинген, 1976 г. |
| Университет Организации Объединенных Наций (УООН) | Борьба с мировым голодом (WHP) Управление природными ресурсами (НРП) | Конференция в INCAP с ICAITI по теме «Биоконверсия органических остатков» для сельских общин, ноябрь 1978, Гватемала |
| ВОЗ | Утилизация отходов и возможное здоровье опасности | Подготовка монографий по компостирование и использование биогаза ночная почва |
Источники: SK Subramanian, Bio-Gas Systems in Asia, Институт развития менеджмента, Нью-Дели, 1977; Документы агентств ООН.
Содержание
- 1 Что такое биогаз?
- 2 Микробиология CH4, или биометаногенез
- 3 Биогазовая установка – некоторые технические соображения
- 4 Экологические и эксплуатационные соображения
- 5 Разработки и процессы для сельской местности
- 6 Анализ затрат и выгод
- 7 Опасности для здоровья
- 8 Узкие места, соображения, исследования и разработки
- 9 Ссылки
- 10 Резюме обсуждения
Что такое биогаз?
Метан является основным компонентом того, что широко известно как биогаз. Бесцветный, не имеющий запаха, горючий газ, его называют канализационным газом, газом klar, болотным газом, топливом из отходов (RDF), шламовым газом, блуждающим огоньком болот, огнем дураков, газом gobar (газом из коровьего навоза), биоэнергией и «топливом будущего». Полученная газовая смесь состоит примерно из 65 процентов CH4, 30 процентов CO2 и 1 процента H2S. Тысяча кубических футов переработанного биогаза эквивалентна 600 кубическим футам природного газа, 6,4 галлонам бутана, 5,2 галлонам бензина или 4,6 галлонам дизельного топлива. Для приготовления пищи и освещения семья из четырех человек будет потреблять 150 кубических футов биогаза в день, количество, которое легко получить из ночной почвы семьи и навоза трех коров. Кроме того, сельские домохозяйки, использующие биотопливо, избавлены от раздражающего дыма, образующегося при сгорании дров, лепешек из навоза и остатков сырых овощей (рис. 1).
Рисунок 1. Преимущества биогаза как топлива по сравнению с недостатками древесины (Источник: Bio-Gas Newsletter, август 1976 г.)
Микробиология CH4, или биометаногенез
Технология анаэробного сбраживания или биоконверсия с образованием метана дает как топливо (биогаз), так и органическое удобрение (шлам), продукты, которые являются конечным результатом микробного воздействия на целлюлозные и другие нехимически обработанные органические остатки. Эти субстраты получаются посредством ряда стадий деградации, в которых участвуют различные бактерии (6–11). На первом этапе сложные полимерные органические субстраты — белки, углеводы и жиры — преобразуются неметаногенными бактериями в по существу неметаногенные субстраты, такие как бутират, пропионат, лактат и спирт. На втором этапе, в котором участвуют ацетогенные бактерии, состав и идентичность которых еще предстоит определить, эти соединения преобразуются в метаногенные субстраты, т. е. ацетат, соединения H2 и C1, которые преобразуются в CH4 и CO2 метановыми бактериями, облигатными анаэробами, которые размножаются в нейтральной или слегка щелочной среде.
То, что гладкое сотрудничество трех групп бактерий должно быть хорошо отрегулировано, иллюстрируется открытием Брайантом (12) двух взаимозависимых видов, существующих в симбиотической ассоциации, которая ранее считалась чистой культурой под названием Methanobacillus omelianskii. Ассоциация состоит из двух симбионтов: ацетогенного организма и метаногенного организма. Ацетоген производит ацетат и H2 и CO2, тем самым нарушая процесс самоингибирования с ацетогеном, который поддается производимому им H2.
Опять же, необходимо, чтобы оба аспекта процесса анаэробного сбраживания — сжижение и газификация — были хорошо сбалансированы. Если метановые бактерии отсутствуют, процесс сбраживания может только сжижать материал и сделать его более отвратительным, чем исходный материал. С другой стороны, если сжижение происходит быстрее, чем газификация, результирующее накопление кислот может подавлять метановые бактерии и процесс биоконверсии.
Биогазовая установка – некоторые технические соображения
Биогазовая установка состоит из двух компонентов: метантенка (или бродильного резервуара) и газгольдера. Метагенты представляют собой водонепроницаемые емкости кубической или цилиндрической формы с входным отверстием, в которое вводится сбраживаемая смесь в виде жидкой пульпы. Газгольдеры обычно представляют собой герметичные стальные емкости, которые, плавая как шар в смеси для сбраживания, отсекают воздух для метагентара (анаэробиоз) и собирают образующийся газ. В одной из наиболее широко используемых конструкций (рисунок 2) газгольдер оснащен выходным отверстием для газа, а метагентарт снабжен переливной трубой для отвода шлама в дренажную яму.
Рисунок 2. Схема завода Gobar-Gas, используемого для получения метана из навоза путем анаэробной ферментации (по Прасаду и др. [20]1
Строительство, проектирование и экономика биогазовых установок рассматривались в литературе (13 - 21). Для строительства биогазовой установки важными критериями являются: (a) количество газа, необходимое для определенного использования или использования, и lb) количество отходов, доступных для переработки. Фрай (17)
Сингх (21) и другие (1, 3) задокументировали несколько руководств для рассмотрения при проектировании порционных (периодическая подача) и непрерывных (ежедневная подача) секционированных и не секционированных биогазовых установок вертикального или горизонтального типа. Кроме того, Лолл (18) недавно занимался научными принципами, технологическим процессом и формами реакторов для сбраживания, а также экономикой технологии.
Реакторы для биореакторов строятся из кирпича, цемента, бетона и стали. В Индонезии, где сельские навыки в производстве кирпича, кладке кирпича, штукатурке и бамбуковом ремесле хорошо развиты, глиняные кирпичи успешно заменили цементные блоки и бетон. В районах, где стоимость высока, идеальным вариантом представляется «колбасный» или мешочный биореактор (14) (рисунок 3). Биореактор изготовлен из гипалона толщиной 0,55 мм, ламинированного неопреном и армированного нейлоном. Мешок оснащен входным и выходным отверстиями из ПВХ. Даже если они импортируются из Соединенных Штатов, стоимость биореактора и газгольдера (оба объединены в один мешок) составляет всего 10 процентов от стоимости биореактора из бетона и стали. Еще одним преимуществом является то, что его можно производить массово и легко отправлять по почте. В сельской местности вся установка завершается за считанные минуты. Яма в земле вмещает мешок, который на две трети заполняется сточными водами. При производстве газа мешок полностью надувается, утяжеляется и оснащается компрессором для повышения давления газа.
Рис. 3. Схематическое изображение мешочного варочного котла «Колбаса» из гипалона, ламинированного неопреном.
Экологические и эксплуатационные соображения
Сырье (19)
Сырье может быть получено из различных источников - отходов животноводства и птицеводства, нечистот, остатков урожая, отходов пищевой промышленности и бумаги, а также таких материалов, как водные водоросли, водный гиацинт, нитчатые водоросли и морские водоросли. С каждым из этих отходов возникают различные проблемы в отношении сбора, транспортировки, обработки, хранения, утилизации остатков и конечного использования. Остатки из сельскохозяйственного сектора, такие как отработанная солома, сено, тростниковый мусор, кукурузная и растительная стерня и жом, необходимо измельчать, чтобы облегчить их поступление в реактор метантенка, а также повысить эффективность бактериальной активности. Сочные растительные материалы выделяют больше газа, чем высушенные, и поэтому такие материалы, как кустарник и сорняки, нуждаются в полусушке. Хранение сырья во влажном, замкнутом пространстве в течение более десяти дней инициирует анаэробную бактериальную активность, которая, хотя и приводит к некоторой потере газа, сокращает время, необходимое для ввода метантенка в эксплуатацию.
Содержание твердых веществ на входе (16, 19, 21)
Производство биогаза неэффективно, если ферментационные материалы слишком разбавлены или слишком концентрированы, что приводит к низкому производству биогаза и недостаточной ферментационной активности соответственно. Опыт показал, что соотношение сырья (бытовые и птичьи отходы и навоз) к воде должно быть 1:1, т. е. 100 кг экскрементов на 100 кг воды. В жиже это соответствует общей концентрации твердых веществ 8 - 11 процентов по весу.
Загрузка (14, 19)
Размер метантенка зависит от загрузки, которая определяется содержанием входящих твердых веществ, временем удержания и температурой метантенка. Оптимальные скорости загрузки различаются в зависимости от разных метантенков и мест их расположения. Более высокие скорости загрузки использовались при высокой температуре окружающей среды. В целом, литература заполнена различными противоречивыми скоростями загрузки. На практике скорость загрузки должна быть выражением либо (a) веса общего количества летучих твердых веществ (TVS), добавляемого в день на единицу объема метантенка, либо (b) веса TVS, добавляемого в день на единицу веса TVS в метантенке. Последний принцип обычно используется для бесперебойной работы метантенка.
Посев (14, 19)
Обычная практика подразумевает засев адекватной популяцией как кислотообразующих, так и метаногенных бактерий. Активно перерабатывающий ил из очистных сооружений представляет собой идеальный «засевной» материал. Как общее правило, засевной материал должен быть в два раза больше объема свежей навозной жижи на начальном этапе, с постепенным уменьшением количества, добавляемого в течение трехнедельного периода. Если в результате перегрузки в реакторе накапливаются летучие кислоты, ситуацию можно исправить повторным засевом или добавлением извести или другой щелочи.
рН (14, 19)
Низкий уровень pH подавляет рост метаногенных бактерий и газообразование и часто является результатом перегрузки. Успешный диапазон pH для анаэробного сбраживания составляет 6,0–8,0; эффективное сбраживание происходит при pH, близком к нейтральному. Слабощелочное состояние является показателем того, что колебания pH не слишком резкие. Низкий уровень pH можно устранить путем разбавления или добавления извести.
Температура (13,14,19, 21)
При мезофильной флоре сбраживание лучше всего происходит при температуре 30–40 °C; при термофилах оптимальный диапазон составляет 50–60 °C. Выбор используемой температуры зависит от климатических условий. В целом, не существует единого правила, но для оптимальной стабильности процесса температуру следует тщательно регулировать в узком диапазоне рабочей температуры. В теплом климате, где нет отрицательных температур, метантенки могут работать без дополнительного тепла. В качестве меры безопасности обычно либо закапывают метантенки в землю из-за преимущественных изоляционных свойств почвы, либо используют тепличное покрытие. Потребности в отоплении и, следовательно, затраты можно минимизировать за счет использования натуральных материалов, таких как листья, опилки, солома и т. д., которые компостируются партиями в отдельном отсеке вокруг метантенка,
Питательные вещества (13,17,19, 21)
Поддержание оптимальной микробиологической активности в реакторе имеет решающее значение для генерации газа и, следовательно, связано с доступностью питательных веществ. Два самых важных питательных вещества — это углерод и азот, а критическим фактором для выбора сырья является общее соотношение C/N.
Бытовые сточные воды, отходы животных и птицы являются примерами богатых азотом материалов, которые обеспечивают питательные вещества для роста и размножения анаэробных организмов. С другой стороны, бедные азотом материалы, такие как зеленая трава, кукурузная стерня и т. д., богаты углеводными веществами, которые необходимы для выработки газа. Избыточное наличие азота приводит к образованию NH3, концентрация которого подавляет дальнейший рост. Токсичность аммиака можно устранить путем низкой загрузки или разбавления. На практике важно поддерживать по весу соотношение C/N, близкое к 30:1, для достижения оптимальной скорости пищеварения. Соотношением C/N можно разумно манипулировать, комбинируя материалы с низким содержанием углерода с материалами с высоким содержанием азота, и наоборот.
Токсичные материалы (13,14,19)
Отходы и биоразлагаемые остатки часто сопровождаются различными загрязняющими веществами, которые могут препятствовать анаэробному пищеварению. Потенциальную токсичность из-за аммиака можно устранить, исправив соотношение C/N в навозе путем добавления измельченного жома или соломы или путем разбавления. Распространенными токсичными веществами являются растворимые соли меди, цинка, никеля, ртути и хрома. С другой стороны, соли натрия, калия, кальция и магния могут оказывать стимулирующее или токсичное действие, причем оба проявления связаны с катионной, а не с анионной частью соли. Пестициды и синтетические моющие средства также могут создавать проблемы для процесса.
Перемешивание (13,14,17 - 19, 21)
Если в варочном котле присутствуют не очень хорошо измельченные твердые материалы, то газообразование может быть затруднено образованием пены, состоящей из этих твердых веществ с низкой плотностью, которые запутаны в волокнистой матрице. Со временем пена затвердевает, нарушая процесс варки и вызывая расслоение. Перемешивание может осуществляться либо механически с помощью плунжера, либо посредством вращательного распыления свежего входящего потока. Перемешивание, обычно необходимое для ванновых варочных котлов, обеспечивает воздействие бактерий на новые поверхности, предотвращает вязкое расслоение и замедление бактериальной активности, а также способствует равномерному распределению входящих материалов по всему ферментационному раствору, тем самым ускоряя варку.
Время удержания (19, 21)
Другие факторы, такие как температура, разбавление, скорость загрузки и т. д., влияют на время удержания. При высокой температуре биопереваривание происходит быстрее, что сокращает требуемое время. Нормальный период переваривания навоза составляет от двух до четырех недель.
Разработки и процессы для сельской местности
Два года назад Экономический и Социальный Совет Организации Объединенных Наций принял обзор, представленный в 1978 году Комитету по науке и технике в целях развития, в котором перечислены текущие исследования и разработки в области нетрадиционных источников энергии. С точки зрения развивающихся стран, отрадно отметить, что «использование сельскохозяйственных отходов для производства метана» также было определено во Всемирном плане действий Организации Объединенных Наций по применению науки и техники в целях развития.
Кроме того, Экономический и социальный совет для Азии и Тихого океана на своей тридцатой сессии принял Декларацию Коломбо, в которой было определено, что наиболее неотложными приоритетами для действий являются области продовольствия, энергии, сырья и удобрений, и что эти приоритеты будут наилучшим образом удовлетворены с помощью интегрированной биогазовой системы (ИБС).
Интегрированная система нацелена на легкое производство удобрений и получение энергии, производство белка посредством выращивания водорослей и рыбы в окислительных прудах, гигиеническую утилизацию сточных вод и других отходов, и является ощутимым усилием по противодействию загрязнению окружающей среды. Сердцем системы является процесс биогаза; он имеет потенциал «посеять» самодостаточность в относительно примитивных экономиках (14, 22, 23). Смежные выгоды включают развитие сельской промышленности, предоставление местных рабочих мест и постепенное искоренение голода и нищеты (рисунки 4 - 7).
Рисунок 4. Два способа увеличения производства удобрений. Цель: 230 000 тонн азотных удобрений в год. (Адаптировано из AKN Reddy, Uniterra, том 1, 1976 г.)
Рисунок 5. Биогазовый цикл в Китае (Источник: FAO Soils Bulletin 40, Рим, 1977)
Рис. 6. Интерактивный цикл системы сельского или деревенского фермерства, основанной на экономике биогаза или метана
Рис. 7. Предлагаемая интегрированная система охлаждения ядерных объектов и утилизации органических отходов (по В. Освальду, Калифорнийский университет)
Сочетание фотосинтетического этапа (24–26) с пищеварением обеспечивает преобразование минералов, оставшихся после пищеварения, непосредственно в водоросли, которые затем можно использовать в качестве корма для животных, рыб, удобрений или для увеличения производства энергии путем возврата их в процесс пищеварения (рисунок 8).
Рисунок 8. Упрощенная схема, показывающая различные комбинации пищеварения и фотосинтеза для производства кормов, удобрений и топлива (по JWM LaRivière, J. Sci. Soc., Таиланд, 1977)
IBS направлена на возвращение в почву и воду того, что было взято из них, и увеличение количества питательных веществ путем фиксации CO2 и N2 из атмосферы в почве и воде посредством фотосинтеза водорослями. Привлекая небольшие денежные инвестиции на децентрализованной основе, реализация IBS обеспечивает занятость всей рабочей силы без нарушения сельской структуры. Кроме того, это удачный пример мягкой технологии, которая не загрязняет и не разрушает физическую среду. В Колледже сельского хозяйства Филиппинского университета началась предварительная работа в небольшом масштабе. В Англии Грэм Кейн построил экодом (рис. 9) на игровых полях политехнического университета Темзы в Элтеме, к юго-востоку от Лондона. Однако результаты проекта пока недоступны.
Рисунок 9. Эко-дом Грэма Кейна (перепечатано с разрешения Mother Earth News, № 20 [март 1973], стр. 62)
Анализ затрат и выгод
Нет общего ответа на вопрос об экономической целесообразности производства биогаза. Национальные экономические соображения играют важную роль. В Корее древесина в дефиците (27) и можно было бы сэкономить на внутренних заменителях топлива, таких как рисовая и ячменная солома, а также уголь и нефть; древесина могла бы стать источником иностранной валюты в сфере ремесел. В Индии транспортные расходы на уголь и нефть в сельские районы высоки и ложатся дополнительным бременем на и без того бедного фермера.
Потребление коммерческой и некоммерческой энергии по всей Индии, определенное за период 1960–1971 гг. в отчете Комитета по топливной политике, представлено в таблице 3.
ТАБЛИЦА 3. Потребление коммерческой и некоммерческой энергии в Индии
| Год | Уголь (Миллион тонн) | Масло (Миллион тонн) | Электричество (Млрд кВтч) | Дрова (Миллион тонн) | Коровий навоз (Миллион тонн) | Растительные отходы (Миллион тонн) |
| 1960 - 61 | 47.1 | 6.75 | 16.9 | 101.04 | 55.38 | 31.08 |
| 1965 - 66 | 64.2 | 9 94 | 30.6 | 111.82 | 61.28 | 34.41 |
| 1970 - 71 | 71 1 | 14 95 | 48.7 | 122.75 | 67.28 | 37.77 |
Источники: Отчет Комитета по топливной политике, 1974; SN Ghosh, Invention Intelligence 12:63 (1977).
Доля сельской местности в потреблении электроэнергии и угля незначительна, поскольку, как указывается в отчете Группы экспертов Национального комитета по науке и технике в области топлива и энергетики, крупные города с населением 500 000 человек и более вмещают лишь 6 процентов от общей численности населения Индии, но потребляют около 50 процентов от общего объема коммерческой энергии, производимой в стране.
В деревнях, однако, для освещения используется керосин, но очевидно, что с ростом населения производство биогаза, по-видимому, предлагает решения в области доступности топлива, электроэнергии, удобрений для товарных культур, а также может обеспечить другие социально-экономические выгоды.
С другой стороны, анализы затрат и выгод производства метана сильно различаются в зависимости от использования и фактических выгод производства биогаза, государственных и частных затрат, связанных с разработкой и использованием метана, и от технологии, используемой для производства метана. В экономике производства биогаза было перечислено несколько факторов (14, 17 - 19, 28). Соответствующим примером является тот факт, что газовая установка деревенского образца, которая стоила 500 рупий несколько лет назад, стоила 1500 рупий в 1974 году и 2000 рупий в 1977 году. Следовательно, значительная проблема заключается в том, смогут ли сельские жители, которые не могут потратить 2000 рупий, справиться с растущей инфляцией и расходами на строительные материалы для реактора.
Комиссия по промышленности Khadi and Village Industries помогла решить эту проблему посредством сотрудничества сельских общин и схемы субсидий и кредитов для поощрения отдельных семей, групп семей, учреждений и общин к строительству биогазовых установок. Анализ затрат и доходов для установки, производящей 3 м³/день, приведен в Таблице 4. Чистый годовой доход приблизительно в 60 долларов США показывает, что капитальные вложения в размере 340 долларов США могут быть окуплены примерно за шесть лет. Существуют также побочные преимущества в виде улучшения гигиены, отсутствия дыма и сажи при сжигании газа, удобства сжигания и повышенной жирности навоза.
ТАБЛИЦА 4. Анализ затрат и выгод завода Khadi and Village Industries Commission (в долларах США)
| а) Капитальные затраты | |
| Газгольдер и рамка | 93,5 долл. США |
| Трубопровод и печь | $ 34 7 |
| Гражданское строительство (резервуары, входы и выходы и т. д.) | 210,1 долл. США |
| Общий | 338,3 долл. США |
| б) Годовые расходы | |
| Процент по инвестициям 9% | 30,4 долл. США |
| Износ на газгольдер и раму 10% | 9,3 долл. США |
| Износ трубопроводов и печи 5% | 2,0 $ |
| Износ по структуре 3% | 6,3 долл. США |
| Стоимость покраски, один раз в год | 6,7 долл. США |
| Общий | 54,7 $ |
| в) Годовой доход | |
| Газ 3 м³ в день по цене 1,5 долл. за 29 м³ (1000 куб. футов) | 50,3 долл. США |
| Навоз (7 тонн, компост) с отходами 16 тонн по цене 4 доллара за тонну | 64,0 $ |
| Общий | 114,3 долл. США |
| г. Чистый годовой доход (б - в) | 59,6 долл. США |
Источник: Документ ЭСКАТО NR/EGNBD/4, 20–26 июня 1978 г.
Опасности для здоровья
Опасность для здоровья связана с обращением с нечистотами и использованием ила из неочищенных человеческих экскрементов в качестве удобрения.
В целом, опубликованные данные показывают, что время переваривания в течение 14 дней при температуре 35 C эффективно для уничтожения (уровень отмирания 99,9%) кишечных бактериальных патогенов и кишечной группы вирусов. Однако уровень отмирания круглых червей (Ascaris lumbricoides) и анкилостом (Ancylostoma) составляет всего 90%, что все еще является высоким показателем. В этом контексте производство биогаза принесло бы пользу общественному здравоохранению, превышающую преимущества любого другого лечения в управлении сельской средой здравоохранения в развивающихся странах.
Узкие места, соображения, исследования и разработки
Биоконверсия органических бытовых и фермерских отходов стала привлекательной, поскольку ее технология была успешно проверена на опыте как в малых, так и в крупных проектах. Используя возобновляемые ресурсы и не загрязняя окружающую среду в процессе, производство биогаза выполняет тройную функцию: удаление отходов, управление окружающей средой и производство энергии. Тем не менее, все еще существует несколько проблем (14, 19, 20), которые препятствуют эффективной работе систем производства биогаза (таблица 5).
ТАБЛИЦА 5. Соображения, касающиеся узких мест в производстве биогаза
| Аспект | Узкие места | Замечания |
| Планирование | Доступность и простота транспортировки сырья материалы и переработанные остаточные продукты | Использование водорослей и гидропонных установок компенсирует высокие транспортные расходы материалов, которые не всегда доступны рука. Легко высыхающие остаточные продукты облегчают транспорт. |
| Выбор места | Характер недр, уровень грунтовых вод и наличие солнечное излучение, преобладающие климатические условия и численность населения деревни должна быть обдуманный. | |
Финансовые ограничения: Конструкция варочного котла; высокий Расходы на транспортировку материалов для варочного котла; расходы на установку и обслуживание; увеличение затрат на рабочую силу в распределении биогазовая продукция для бытовых целей | Использование дешевых строительных материалов, подчеркивая низкие капитальные и эксплуатационные затраты, простота эксплуатация; предоставление субсидий и кредитов, которые не обременительно. | |
Необходимость владеть или иметь доступ к относительно большое количество крупного рогатого скота | Хорошо спланированное развитие сельских сообществ, схемы собственности и распределения биогаза необходимый. | |
Социальные ограничения и психологические предубеждение против использования сырья | Разработка рекламных программ для противодействовать ограничениям, усугубляемым неграмотностью; предоставление стимулов для развития малого бизнеса масштабные интегрированные биогазовые системы. | |
| Технический | Неправильная подготовка входящих твердых веществ приводит к засорению и образованию накипи | Правильное фрезерование и другие меры обработки (предварительные) замачивание, корректировка соотношения C/N); удаление инертных частицы: песок и камни. |
| Колебания температуры | Тщательное регулирование температуры с помощью недорогие изоляционные материалы (опилки, жом, трава, хлопковые отходы, пшеничная солома); включение вспомогательная система солнечного отопления. | |
Поддержание pH для оптимального роста Метаногенные бактерии Соотношение C/N | Правильный выбор сырья, регулирование Соотношение C/N и степень разбавления. Соответствующее смешивание богатых и бедных азотом веществ субстраты с целлюлозными субстратами. | |
| Коэффициент разбавления содержания твердых веществ на входе | Соответствующая обработка сырья для избежания расслоение и образование накипи. | |
| Время удерживания пульпы | Зависит от степени разбавления, скорости загрузки, температура пищеварения. | |
| Скорость загрузки | В зависимости от размера реактора, коэффициента разбавления, температура пищеварения. | |
Посев соответствующего бактериального Популяция для производства биогаза | Разработка специфических и эффективных культур. | |
| Коррозия газгольдера | Строительство из дешевых материалов (стекловолокно, глина, пластик, армированный джутовым волокном) и/или обычный очистка и нанесение защитных материалов (например, смазочное масло). | |
Утечки через точечные отверстия (бак-реактор, держатель, вход, выход) | Создание условий «без утечек», использование внешние защитные покрытия (ПВХ, креозоты | |
Появление CO2, снижающего теплотворную способность ценность биогаза | Снижение содержания CO2 через проход в известковая вода | |
Наличие водяного конденсата в газе система подачи (засор, ржавчина) | Соответствующая система дренажа с использованием конденсата ловушки | |
| Появление H2S, приводящее к коррозии | В масштабах деревни H2S удаляется путем пропускания через оксид железа или железные опилки | |
| Неправильное сгорание | Необходимо проектирование устройств для смешивания воздуха и газа | |
Поддержание подачи газа на постоянном уровне давление | Регулирование равномерного распределения и использования газа; удаление водяного конденсата из трубопроводных систем; правильный выбор газгольдера по весу и емкость | |
Остаток использование | Риски для здоровья и урожая растений, возникающие в результате от остаточного накопления токсичных материалов и инкапсулированные патогены | Избегайте использования сточных вод химической промышленности; подробнее исследование типа, природы и темпов вымирания устойчивые организмы; минимизировать длительную транспортировку период невысушенных стоков |
| Здоровье | Опасности для здоровья человека при транспортировке ночной ил и другие отходы (серая вода) | Подключение стоков из туалетов к биогазовым реакторам способствует неручным операциям и общему эстетика |
| Безопасность | Неправильное обращение и хранение метана | Соответствующие меры, необходимые для завода эксплуатация, обработка и хранение биогаза через предоставление услуг по расширению и обслуживанию |
Сельские общины, использующие интегрированную систему, являются подходящими примерами переработанных обществ, которые извлекают выгоду из низкокапиталовложений на децентрализованной основе, и такие общины настроены на окружающую среду. Технология, посеянная и порожденная таким образом, по сути является популистской технологией, основанной на «доходе природы, а не на капитале природы».
Биогаз, полученный из местных отходов, кажется одним из ответов на энергетическую проблему в большинстве сельских районов развивающихся стран. Производство газа потребляет около четверти навоза, но доступное тепло газа примерно на 20 процентов больше, чем получаемое при прямом сжигании всего количества навоза. Это в основном из-за очень высокой эффективности (60 процентов) использования по сравнению с низкой эффективностью (11 процентов) прямого сжигания навозных брикетов.
Несколько тысяч биогазовых установок были построены в развивающихся странах. Анализ литературы показывает, что руководящим принципом был опыт первопроходцев и организаций, а не определенный научный подход. Необходимо решить несколько основных химических, микробиологических, инженерных и социальных проблем, чтобы обеспечить широкомасштабное внедрение биогазовых установок с сопутствующими гарантиями экономического успеха и культурного признания. Различные опыты показывают, что необходимо развивать эффективность эксплуатации, и вот некоторые важные факторы: сокращение использования стали в современных конструкциях газовых установок; оптимальная конструкция установок, эффективные горелки, нагрев реакторов солнечным излучением, соединение биогазовых систем с другими нетрадиционными источниками энергии, проектирование крупномасштабных общественных установок, оптимальное использование переработанной пульпы, микробиологическое преобразование CO2 в CH4, повышение эффективности переваривания навоза и других целлюлозных материалов с помощью ферментативного воздействия и других методов предварительного переваривания, а также анаэробное переваривание городских отходов.
Мы можем обобщить некоторые задачи исследований и разработок, которые необходимо выполнить, следующим образом.
В фундаментальных исследованиях:
а) Исследования по выбору, культивированию и управлению микроорганизмами, участвующими в образовании метана.
б) Исследования поведения и роста бактерий в имитированной среде метантенка (компоненты ферментации: скорость, выход газа, состав газа как функция переменных - pH, температура, перемешивание - по отношению к субстратам - навоз, водоросли, водяные гиацинты).
В прикладных исследованиях:
а. Исследования по улучшению конструкции и экономики биогазового реактора с упором на: альтернативные строительные материалы вместо стали и цемента; посевные устройства; методы очистки газа; вспомогательные системы отопления; изоляционные материалы; разработка соответствующих приборов для эффективного использования биогаза (например, горелки, лампы, мини-тракторы и т. д.).
б) Исследования по определению и повышению традиционно признанной удобрительной ценности ила.
в) Исследования по более быстрому обезвоживанию шлама.
г. Исследования по использованию метана для укрепления мелкомасштабных производств, например, кирпичного производства, сварки и т. д.
В социальных исследованиях:
а) Эффективное использование письменного, устного и печатного слова для преодоления социальных ограничений использования биогаза сельским населением.
б) Программы, призванные проиллюстрировать преимущества, получаемые от гигиены и здоровья сельских домохозяйств и общин.
в) Программы, призванные проиллюстрировать необходимость надлежащего управления природными ресурсами в сельской местности и повышения урожайности сельскохозяйственных культур в целях противодействия нехватке и дефициту продовольствия и кормов.
г. Обучение на месте технического и консультационного персонала для полевых работ, связанных со строительством, эксплуатацией, обслуживанием и ремонтом систем производства биогаза.
е. Вовлечение и обучение административного и технического персонала сельских районов в региональные, национальные и международные мероприятия, посвященные возможностям и преимуществам интегрированных биогазовых систем.
В таблице 6 показан ряд преимуществ использования биогаза в сравнении с соответствующими недостатками используемых в настоящее время альтернатив.
| Текущие проблемы | Преимущества биогаза |
Истощение лесов на дрова и возникновение экологический дисбаланс и климатические изменения | Положительное влияние на вырубку лесов; снимает часть рабочей силы от необходимости собирать дрова и транспортировать уголь; помогает экономить местные энергетические ресурсы |
Сжигание навозных лепешек: источник загрязнения окружающей среды загрязнение; уменьшение неорганических питательных веществ; ночная грязь транспортировка представляет опасность для здоровья | Недорогое решение проблемы нехватки топлива в сельской местности; улучшение уровня жизни и здоровья сельского населения и сельские общины; обеспечивает занятость возможности в мелких дочерних предприятиях |
Необработанный навоз, органические отходы и остатки теряются в виде ценное удобрение | Остаточный ил применяется в качестве подкормки; хорошая почва кондиционер; неорганический остаток, полезный для рекультивации земель |
| Необработанные отходы и органические отходы представляют прямую угрозу здоровью | Эффективное уничтожение кишечных патогенов и паразитов; конечные продукты не загрязняют окружающую среду, дешевые; запахи не неприятные |
| Первоначальная высокая стоимость, обусловленная расходами на установку, обслуживание, хранение и распространение конечной продукции | Система окупает себя |
Социальные ограничения и психологические предубеждения в отношении использования отходов жизнедеятельности человека | Генератор дохода и наглядный пример самостоятельности и самодостаточности. достаточность |
Ссылки
1. Дж. В. М. ЛаРивьер и Э. Дж. ДаСильва, «Выращивание микробов для производства продовольствия, топлива и клетчатки», «Курьер ЮНЕСКО», июнь 1978 г.
2. Дж. Р. Портер, «Микробиология и продовольственный и энергетический кризисы», Amer. Soc. Microbiol. News 40: 813-11974).
3. Дж. Р. Портер, «Микробиология и утилизация твердых отходов», Amer. Soc. Microbial. News 40:826 (1974).
4. Дж. Р. Портер, «Микроорганизмы как природные ресурсы для производства продовольствия и энергии», представлено на Азиатском региональном семинаре по вкладу науки и технологий в национальное развитие, Нью-Дели, 4–6 октября 1978 г.
5. Э. Дж. ДаСилва, Р. Олембо и А. Бургерс, «Интегрированная микробная технология для развивающихся стран: трамплин для экономического прогресса», Impact Sci. Soc. 28: 159 (1978).
6. MP Bryant, в HG Schlegel и J. Barnea (ред.) Microbial Energy Conversion, стр. 399–412, Erich Gottze KG, Геттинген, Западная Германия, 1976.
7. JWM LaRiviere, «Микробная экология обработки жидких отходов», Adv. Microbial Ecol. 1: 215 (1977).
8. JWM LaRiviere, «Микробиологическое производство метана из отходов», J. Sci. Soc. Thailand 3: 5 11977).
9. D,F. Torien, WHJ Hattingh, JP Kotze, PG Thiel, WA Pretorius, GG Cillie, MR, Henzen, GJ Stander и RD Baillie, «Анаэробное пищеварение — обзорная статья», Water Res. 3: 385 (1); 459–111); 545–1111); 623 (IV) 11969).
10. DF Torien и JP Kotzé, «Описание популяции неметаногенной фазы анаэробного пищеварения», Water Res. 4:129 (i); 285–111); 305 (III); 315 (IV) 11970).
11. RS Wolfe, «Микробное образование метана», Adv. Microbiol. Physiol. 6:107 (1971).
12. MP Bryant, EA Wolin, M,J Wolin и RS Wolfe, «Methanobacillus omelianskii, симбиотическая ассоциация двух видов бактерий», Arch. Mikrobiol. 59: 20 (1967).
13. C. Bell, S. Boulter, D, Dunlop и P. Keiller, Метан: топливо будущего, Andrew Singer, Кембриджшир, Великобритания, 1973.
14. Документ ЭСКАТО RAS/74/041/A/01/01, «Технология и использование биогаза», ЭСКАТО, Бангкок, 1975.
15. ТД, Бисвас, «Биогазовые установки: перспективы и ограничения», Invention Intelligence 12: 71 (1977).
16. М. Дж. МакГарри и Дж. Стейнфорт, Производство компоста, удобрений и биогаза в Китайской Народной Республике, стр. 94, Международный центр исследований развития, Оттава, IDRC-TS8e, 1978.
17. Л. Г. Фрай, Практическое строительство метановых электростанций для энергетической независимости сельской местности, Л. Г. Фрай, Санта-Барбара, Калифорния, 1974.
18. У. Лолл, в HG Schiegel и J. Barnea (ред.), Microbial Conversion, стр. 361 - 378, Erich Gottze KG, Геттинген, Западная Германия, 1976.
19. Национальная академия наук, Образование метана из отходов жизнедеятельности человека, животных и сельского хозяйства, регистрационный номер NTIS PB-276-469, NAS, Вашингтон, округ Колумбия, 1977.
20. C. Prasad, N. Prasad и A. Reddy, «Крупные газовые заводы: перспективы, проблемы и задачи», Economic and Political Weekly 9: 1347 (1974).
21. Р. Б. Сингх, Биогазовая установка: производство метана из органических отходов, исследовательская станция Gobar-Gas, Аджитмал, Этава, Индия, 1971.
22. Э. Дж. ДаСилва, А. Бургерс и Р. Олембо, «Здоровье и богатство от отходов; экономический стимул для развивающихся стран», Impact Sci. Soc. 26: 323 (1976).
23. Дж. Тинберген, Изменение международного порядка: доклад Римскому клубу, EP Dutton, Нью-Йорк, 1976.
24. Дж. Р. Бенеманн, Дж. К. Вайсман, Б. Л. Купман и В. Дж. Освальд, «Производство энергии путем микробного фотосинтеза», Nature 268: 19 (1977).
25. А. Фернандес, «Гобар-Газовый завод — как и почему», Сева Вани, май-июнь 1976 г.
26. G. Shelef, R. Moraine, A. Meydan и E. Sandbank, в HG Schlegel и J. Barnea (ред.), Microbial Energy Conversion, стр. 427 - 442. Erich Gottze KG, Геттинген, Западная Германия, 1976.
27. Э. П. Экхольм, «Энергетический кризис: дрова», World Watch Paper 1, Worldwatch Institute, Вашингтон, округ Колумбия, 1975.
28. Дж. Парих и К. Парих, в HG Schlegel и J. Barnea (ред.), Microbial Energy Conversion. стр. 555 - 591, Erich Gottze KG, Геттинген, Западная Германия, 1976.
Резюме обсуждения
Возник вопрос, можно ли сократить время удержания при ферментации биогаза путем смешивания. Кажется, что в литературе по этому вопросу очень мало информации, и хотя сейчас становится доступной информация от Национальной академии наук США и Экономической и социальной комиссии для Азии и Тихого океана (ESCAPI), ее требуется гораздо больше. Существует много информации о бытовом иле, и теперь можно обрабатывать растворенные остатки, например, картофель, в непрерывных анаэробных процессах.
