Анаэробное разложениеНекоторые органические молекулы биомассы могут подвергаться анаэробному разложению в результате деятельности микроорганизмов. Основные продукты распада - диоксид углерода, метан и большое число микробных клеток. В природе этот процесс протекает в гнилостной среде. С прошлого века его использовали для обработки больших количеств шлама (осадка сточных вод). Главное преимущество этого метода - сокращение числа и обезвоживания твердых частиц вторичного отстоя очистительных установок. Только крупные канализационно-очистные сооружения используют выделившийся метан как источник энергии; небольшие очистные сооружения, имеющие реакторы, могут сжигать газ или использовать его для подогрева самих реакторов. Из 5000 канализационно-очистных сооружений в Великобритании только около 300 имеют реакторы; с появлением фирм, поставляющих готовые реакторы, это число начало увеличиваться. За последние годы была предложена технология удаления навоза на крупных предприятиях интенсивного животноводства; удаление стоков с предприятий, занимающихся переработкой биологических продуктов, например переработкой продуктов питания; превращения биомассы в энергию. Эта технология - одна из наиболее простых среди технологий получения топлива из биомассы. В результате эта технология особенно пропагандировалась для использования в странах третьего мира, где устанавливается большое число реакторов. ХимияСреди различных категорий углеродсодержащих соединений биомассы разложение углеводов наиболее важное, и этот процесс в достаточной мере исследован. Липиды и жиры, белки, а также другие азотистые соединения также катаболизируются. Биомассу могут разлагать различные микроорганизмы. Организмы, участвующие в разложении полисахаридов, делятся на две группы. В первую группу входят организмы, осуществляющие гидролиз и превращение биомассы в низкомолекулярные карбоновые кислоты и водород. Вторая группа превращает продукты первой реакции в метан и диоксид углерода.Скорость гидролиза полисахаридов зависит от их типа. Как было показано в предыдущем разделе, крахмал гидролизуестя относительно легко, в то время как целлюлоза в сочетании с лигнином может разлагаться очень медленно или не разлагаться совсем. Образовавшиеся моносахариды, например глюкоза, подвергаются дальнейшему разложению под действием ферментов до пируватов, а затем - до различных продуктов, основными из которых являются уксусная кислота и водород. Затем под действием других микроорганизмов происходит превращение этих продуктов в диоксид углерода и метан:  2nCH3COCOOH+2nH2;CH3COOH+CO2+2H2;3CH4+CO2+2H2O;Метаногенные организмы очень легко подвергаются самоотравлению, в результате чего прекращается рост и происходит накопление диоксидо углерода, водорода, ацетатов и пропионатов. Белки разлагаются в реакторах до аминокислот и олигопептидов, которые могут дезаменировать до аммиака или войти в состав живой биомассы Может также произойти расщепление небелковых азотистых соединений до кислот, диоксида углерода и аммиака. Жиры по-видимому, расщепляются вследствие гидролиза на глицерол и жирные кислоты. Уксусная кислота и водород, образовавшиеся в результате разложения жирных кислот, превращаются в метан под действием метаногенных бактерий: Триглицерид+Y2O
CH3-(CH2CH2)n-COOH+глицерол;(n+1)CH3COOH+2nH2.ТехнологияСовременная очистная установка может быть вместимостью от 500 до 4500 м3. Крупные емкости строятся из бетона и стали. Стальные емкости покрывают изоляционным материалом, а поверхность, находящуюся в контакте с содержимым реактора, - эпоксидной смолой или аналогичным материалом. Содержимое перемешивают с помощью крыльчатки или винтового насоса, расположенных в емкости, а также путюм прокачки жидкости через внешний обводной трубопровод или путем повторной циркуляции отходящих газов. Перемешивание и нагрев часто чередуются или осуществляются одновременно; перемешивание служит в основном для предотвращения образования поверхностных корок, особенно при переработке сельскохозяйственных отходов. Нагревание необходимо потому, что при умеренной температуре окружающей среды реакция протекает слишком медленно; нагрев до 30-450С одновременно обеспечивает высокую скорость реакции и в тоже время позволяет избежать чрезмерных расходов. Реактор должен работать по возможности непрерывно, так как прерывистая робота малоэффективна. Для обеспечения непрерывной подачи материала устанавливается специальная емкость, а для отвода используется уровень. Небольшие очистные сооружения часто имеют систему загрузки партиями (при наличии первичных и вторичных сточных осадков). Время нахождения жидкости в реакторе обычно составляет от 10 до 30 дней; в случае трудно сбраживаемых материалов и при температурах, ниже оптимальных, эти сроки могут увеличиваться до нескольких месяцев. Реакторы для навоза, других органических отходов и растительных остатков мало отличаются от систем описанных выше. Поскольку стоимость реакторов для отбросов и сточных вод при проектировании их только для производства биотоплива крайне высокая, был предложен ряд более дешевых вариантов, например резинопластиковые надувные емкости, емкости, вырытые в земле и выстланные специальными материалами, и т. д. Такие варианты должны рассматриваться как экспериментальные, так как их срок службы значительно короче, чем срок службы более прочных и надежных систем, описанных выше.Таблица 1. Параметры процессов при анаэробном разложении
В таблице 1 показаны выход, продуктивность и степень превращения сырья при анаэробном разложении биомассы. Цифры представляют собой типичные значения, взятые из литературы; соответственно ясно, что все три параметра не высоки по сравнению с другими методами обогащения биомассы. Наиболее легко превращаемым материалом является навоз не жвачных животных, а также легкогидролизуемый крахмал, белки и моносахариды. Растительные остатки, отходы целлюлозы и навоз жвачных трудно разлагаются и требуют длительного нахождения в реакторе. Загрузка реактора зависит от типа материала; обычно поступающий материал содержит 3% твердых частиц при максимальном их содержании 5%. Были сконструированы реакторы для более концентрированного материала, однако здесь возникает проблема с перекачкой. Разлагаемая часть отходов (летучие твердые частицы) может составлять до 90% общего количества твердых частиц, но обычно их доля составляет около 70%. Были предложены и испытаны другие типы реакторов (автоклавов) - клеточно-рециркуляционный (контактный) реактор, анаэробные фильтры, реакторы с псевдосжиженным слоем и с восходящим взвешенным слоем осадков. Последний тип получил распространение, так как флоккулированная биомасса остается в реакторе, сток является сравнительно чистым, а закачка сырья, служащего пищей микроорганизмам, проводится в основание реактора. При такой конструкции время нахождения жидкости в реакторе значительно короче, однако эта конструкция пригодна только для обработки растворов и суспензий с низким содержанием органического вещества. Такая технология больше подходит для очистки сточных вод, чем для производства биотоплива. Хранение биогаза обычно считается крайне дорогостоящим. Стоимость газометров может в 4 раза превышать капитальные затраты, на строительство самого реактора, поэтому газ должен быть или не медленно использован, или удален. Газ используется, прежде всего для нагревания реактора до рабочей температуры. При наличии излишков, биогаз может быть использован в силовых установках или в качестве топлива для двигателей. Для нагрева автоклавов могут также быть использованы вода, охлаждающая генераторы, или выделившееся теплота. Состав биогаза (табл.2) делает его малопригодным для подобного использования, так как он высокоагрессивен и приводит к разрушению большинства обычных насосов и трубопроводов. Сероводород способствует коррозии двигателя и должен быть удален; диоксид углерода и влага, содержащаяся в газе, снижает ценность топлива для двигателей внутреннего сгорания, которые не будут работать на смесях, содержащих более 45% CO2. Таблица 2. Состав газа, выделяющегося при анаэробном разложении
Однако теплотворная способность биогаза обычно достаточна для использования его в модифицированных бойлерах, дизельных и карбюраторных двигателей, устанавливаемых, в частности на крупных очистных сооружениях. Для транспортных средств необходимы компрессоры для снижения объема газа до приемлемого уровня. Опасности, связанные с использованием биогазаСледует упомянуть о двух важных обстоятельствах, связанных с подготовкой и использованием биогаза при самостоятельном его изготовлении. Во-первых, смесь метана с воздухом взрывоопасна, и, во-вторых, что более серьезно, сероводород присутствующий в биогазе, крайне токсичен. В промышленных условиях применяются соответствующие меры безопасности, однако недостаточно осторожное обращение с этим газом может оказаться роковым.Удаление сброженного осадкаЗаключительной проблемой, связанной как с использованием энергии, так и с охраной окружающей среды, является удаление осадка из автоклава, объем которого может достигать 50-60% исходного количества твердых частиц; что касается коммунальных отходов, то этот объем составляет 10-15%. Там где возможно, эти осадки вносят в почву как удобрения, правда использовать их на тяжелых глинах и заболоченных почвах не рекомендуется. Возможно, возникнет необходимость транспортировки сброженных осадков в места отсыпки грунта и к морю. Для сокращения транспортных расходов используется отстаивание, коагуляция и другие методы обезвоживания. Содержание меди, цинка и других токсичных металлов в сброженном осадке затрудняет его использование в качестве удобрения. Имеётся предложения по переработке осадка в корм для животных; технически это осуществимо. Были проведены некоторые эксперименты по включению осадка в корма, однако сомнительно, чтобы это соответствовало критериям, определяющим требования к к здоровью животных и вкусовым качествам корма. Экстрагирование и очистка белкового компонента осадка, по-видимому, не рентабельны.Места отсыпки грунтаОсновная масса городских отходов в развитых странах удаляется путём их транспортировки в места отсыпки грунта, где находятся свалки мусора. Эти свалки представляют собой гигантский биореактор, загруженный сырьем при фактически нулевой стоимости. Метан медленно образующийся в биомассе, должен быть собран и использован аналогично тому, как это имеет место в обычных реакторах. Экономика этого процесса будет рассмотрена позднее; по имеющимся данным, она значительно более благоприятна, чем при использовании реакторов интенсивного типа. |