При переработке сырья в анаэробных условиях получается смесь газов — метана и углекислоты, которые образуются в ре­зультате разложения сложных субстратов при участии смешан­ной популяции микроорганизмов разных видов. Поскольку ис­комый продукт — это газ, сбор его не составляет труда: он про­сто выделяется в виде пузырьков. Впрочем, иногда при более сложных способах его использования или распределения по тру­бам возникает необходимость в очистке от примесей или в ком­прессии.

В анаэробном реакторе можно перерабатывать самое разно­образное сырье: отходы сельского хозяйства (испорченные рас­тительные или пищевые продукты), стоки перерабатывающих предприятий, содержащие сахар, жидкие отходы, образующие­ся на сахарных заводах или при отжиме пальмового масла, бы­товые отходы, сточные воды городов и спиртовых заводов. Мож­но перерабатывать и специально выращиваемые культуры, включая и экзотические, растущие в пресной или морской воде или на бросовых землях: водяной гиацинт, гигантские бурые во­доросли или слоновью траву.

Весьма важно, что сырье с высоким содержанием целлюлозы (или лигноцеллюлозы) не так просто использовать для иных целей: оно дешево или вообще не имеет коммерческой ценности. Обычно масштабы переработки невелики (в пределах одной фермы или деревни), хотя были разработаны и проекты более крупных установок для переработки стоков или же промышлен­ных отходов. В масштабах государства наибольший вклад в энергетический бюджет страны вносит такая переработка в Ки­тае, где построено около семи миллионов небольших (на одну семью) реакторов.

Неочищенный биогаз обычно используют для приготовления пищи и освещения. Его можно применять как топливо в стацио­нарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Сжатый газ в баллонах пригоден как горючее для машин и тракторов. Его можно подавать в газораспределительную сеть. В послед­нем случае требуется некоторая очистка биогаза: осушка, удале­ние углекислоты и сероводорода. Очищенный биогаз ничем не отличается от метана из других источников, т. е. природного газа или же SNG (синтетический газ, получаемый из угля или водородсодержащего сырья). Хотя в большинстве случаев кон­струкция реакторов рассчитана на получение метана, который используется как топливо, строить такие установки имеет смысл не только для этой цели. Нередко, особенно в развитых стра­нах умеренного пояса, реакторы используют главным образом для переработки отходов.

Установки для производства биогаза по принципу все воз­растающего объема можно сгруппировать следующим образом: 1) реакторы в сельской местности в развивающихся странах (обычно имеют объем 1—20 м³); 2) реакторы на фермах раз­витых стран (объем 50—500 м³); 3) реакторы, перерабатываю­щие отходы промышленности (например, сахарных, спиртовых заводов и т. п., объем 500—10 000 м³); 4) свалки бытовых и про­мышленных отходов (объем l-20∙ IO⁶ м³).

Понятно, что детали технического устройства таких систем могут сильно различаться. Так, существует несколько конструк­ций небольших реакторов — от простейшей бродильной ямы в грунте с фиксированным объемом газа до подземных или полу- подземных баков с металлическим или резиновым накопителем газа с изменяющимся объемом. Эти установки могут работать в режиме полного перемешивания, полного вытеснения, в режи­ме контактных процессов, как анаэробные фильтры или реакто­ры с псевдоожиженным слоем. Конструкция таких: устройств оп­ределяется типом перерабатываемого сырья. Задача заключает­ся в том, чтобы не допустить потери микроорганизмов при ра­боте системы. Это достигается либо путем повторного их ис­пользования, либо помещением в реактор поддерживающего субстрата, на котором и растут клетки. Последний способ осо­бенно хорош в случае, когда в реактор поступает раствор с низ­ким содержанием взвешенных частиц.

В развитых странах используется множество разнообразных установок. Это определяется конкретной задачей — очисткой стоков или же достижением нужного качества газа. Среди них есть и небольшие реакторы, мало чем отличающиеся от описан­ных, и круцные установки с приспособлениями для очистки газа, электрогенераторами, компрессорами и очистителями воды. Иногда их строят в составе одного комплекса с другими круп­ными объектами: канализационными станциями, сахарными и спиртовыми заводами, животноводческими фермами и молоко­заводами. В некоторых случаях бывает необходимо провести предварительную обработку или разведение питательного рас­твора. Это делается для оптимизации размера частиц во взве­сях, увеличения глубины переработки или уменьшения токсиче­ского действия высоких концентраций азота.

В тех случаях, когда главной задачей является переработка отбросов, приходится прежде всего механическим способом от­делять крупноразмерную фракцию, например солому и прочее. При применении такого способа, а также при переработке сточ­ных вод предприятий пищевой промышленности отношение со­держания растворенных углеводов к нерастворимым, содержа­щим лигноцеллюлозу веществам существенно увеличивается, и обычно доля твердых частиц бывает небольшой. Вследствие этого скорость подачи раствора в реактор и время удержания уменьшаются. Впрочем, с инженерной точки зрения установка может быть и сложнее, чтобы обеспечить оптимальное взаимо­действие микробов с субстратом.

Чтобы получить наибольший объемный выход продукции с небольшой установки, скорость подачи субстрата должна быть возможно большей, а это в свою очередь связано с поддержа­нием высокой концентрации жизнеспособных бактерий. При этом могут возникнуть сложности как в случае субстратов с высоким содержанием нерастворимых веществ, так и субстра­тов, содержащих много растворимой органики. В первом случае в реакторе накапливаются неразрушаемые или медленно раз­рушаемые вещества, которые в конечном счете будут составлять более 80% твердых веществ в осадке реактора. Во втором — переработка растворенных, полностью разрушаемых веществ приведет к образованию высокоактивного ила, и бактерии бу­дут составлять до 90% осадка. Удержать такой ил в реакторе будет сложно. Впрочем, недавно был предложен ряд конструк­ций, в которых эти проблемы решены. Помимо механического измельчения сырья с успехом применяется неполный кислотный или щелочной гидролиз образующих его частиц либо целлюло­литические ферменты. Еще одно усовершенствование заключа­ется в механическом перемешивании подаваемого сырья с илом. Для этой же цели через реактор повторно пропускают выделив­шийся газ. Перемешивание осадка, содержащего активные бак­терии, или создание тока жидкости может увеличить количество выделяющегося газа в зависимости от того, какой вид сырья используется в процессе.

При решении вопроса об использовании более сложных с ин­женерной точки зрения, усовершенствованных сооружений или же каких-то вариантов процесса в первую очередь надо оценить стоимость их работы. Сегодня из их числа более практичными могут оказаться системы, перерабатывающие отходы (когда за­траты на их обезвреживание высоки), а не те крупномасштаб­ные установки, которые вырабатывают газ как сырье для энер­гетики. Отметим, однако, что наиболее крупные установки для получения биогаза всегда очень просто устроены: это могут быть свалки отходов, в основном бытового мусора. О самой возможности использования метана, образующегося в таких му­сорных кучах, задумались, когда стали искать способы предот­вращения взрывов и пожаров, возникающих в результате выде­ления в них газа. Кислород, оказавшийся в мусоре при образо­вании куч, быстро используется аэробными бактериями и гри­бами, в результате чего условия в них становятся анаэробными. Влажность поддерживается либо просачивающейся дождевой водой, либо грунтовыми водами. Если буферная способность ма­териала достаточна для поддержания нейтральных значений pH, то складываются благоприятные условия для образования метана. Газ выделяется в смеси с CO₂. Собирают его при помо­щи труб, проложенных в толще мусора под полотнищами пленки.

Вклад этих технологий в энергообеспечение конкретных ре­гионов в обозримом будущем (скажем, десять лет) в значитель­ной мере будет определяться местными условиями. Они будут зависеть, с одной стороны, от наличия земельных площадей и сельскохозяйственного сырья, а с другой-—от доступности неф­ти и газа и цен на них. Важную роль сыграют как новые разра­ботки в области микробиологической технологии, так и инже­нерные решения, нацеленные на повышение эффективности ра­боты таких систем при меньших капитальных вложениях и энер­гопотреблении.

Микробиологические основы процесса

Переработка сырья в метан происходит в ходе сложных взаи­модействий в смешанных популяциях микроорганизмов. По осо­бенностям обмена веществ их можно подразделить на три ос­новные группы: первая осуществляет первичный распад поли­мерных веществ, вторая образует летучие жирные кислоты, в частности уксусную, водород и CO₂, а третья — метан (метан- образующие бактерии).

В осуществлении первой стадии процесса принимают участие разнообразные анаэробные бактерии, превращающие в раство­римые вещества множество соединений, включая целлюлозу, жиры и белки. Ключевую роль при этом играют процессы раз­ложения целлюлозы, так как большинство видов сырья или сточ­ных вод обогащены лигноцеллюлозой. По оптимальной темпера­туре жизнедеятельности эти бактерии можно отнести к одной из трех групп: термофильным организмам, живущим при 50— 60 ⁰C, мезофильным (30—40°) и психрофнльным, предпочитаю­щим комнатную температуру (около 20°C). Большая часть ис­следований была выполнена для реакторов, работающих на ос­нове мезофилов. При повышенной температуре скорость распа­да исходного сырья, особенно целлюлозы, увеличивается, а это — важное преимущество. Скорость образования метана лимитиру­ется интенсивностью процессов разложения сырья. Именно по­этому время удержания при работе с некоторыми субстратами бывает так велико.

Время удержания можно уменьшить, если повысить темпе­ратуру, но это требует энергозатрат. Для получения тепла мож­но сжигать часть получаемого метана (а в крайних случаях — и весь газ). Можно использовать и тепловые отбросы сопутст­вующих производств (например, воду, использованную в них для охлаждения). Горячую воду можно получать и с помощью солнечных батарей. Бактерии, работающие на первом этапе, лучше всего растут при pH от 6 до 7. В культуре рост многих разлагающих целлюлозу бактерий подавляется по механизму обратной связи при накоплении конечных продуктов гидролиза, однако в смешанной популяции бактерий, существующей в ана­эробном реакторе, происходит быстрое усвоение этих продуктов и подавление не так выражено. В результате скорость разруше­ния полимеров оказывается выше, чем можно было бы ожидать. Конечные продукты, обладающие свойствами ингибитора, уда­ляются с помощью бактерий второй группы, которые превраща­ют различные сахара, аминокислоты и жирные кислоты в лету­чие жирные кислоты, CO₂ и водород.

В ходе этого процесса образуется ряд летучих жирных кис­лот (молочная, уксусная, пропионовая и др.), но главным суб­стратом при синтезе метана является уксусная кислота. Метан- образующие бактерии могут также синтезировать метан из CO₂ и H₂. Оптимум pH для них тот же (6—7), что и для бактерий первой группы, и это важно, поскольку нарушение баланса об­разования и потребления кислот приведет к падению pH, если система не обладает достаточными буферными свойствами. Вся­кое падение pH по этой причине преимущественно сказывается на активности метанобразующих бактерий, что вызывает даль­нейшее закисление среды и прекращение образования метана. С этим можно бороться, добавляя известняк или аммиачную воду, но при внесении ионов аммония следует соблюдать осто­рожность. Метанобразующие бактерии могут использовать ам­монийные ионы как источник азота, но при высоких концентра­циях они ингибируют их рост. К числу других веществ и соеди­нений, способных ингибировать процесс, относятся кислород и окисленные соединения, такие, как нитрат и нитрит, сульфиды, цианиды, свободные ионы металлов (меди, цинка или никеля), галогены, формальдегид и сероводород. Система чувствительна также к резким скачкам температуры.

Выход продукции

При образовании метана, когда субстратом является глюкоза, весовой выход газа составляет только около 27%, а выход энер­гии (теоретически) — более 90%. Однако на практике из-за сложного состава сырья, перерабатываемого в анаэробных ре­акторах, и низкой эффективности его переработки валовый вы- -ход энергии составляет от 20 до 50%. Определение выхода био­газа— задача более сложная, чем выхода метана. Прежде все­го нужно уточнить, что мы хотим измерить: валовый выход (биогаз-СОг в смеси с метаном) или же один метан. Состав газа существенно изменяется в зависимости от условий в реакторе,, а также от природы подаваемого в него сырья. Теоретически при переработке углеводов на СОг и метан эти газы должны образовываться в равных количествах. На самом деле не весь СОг выделяется в виде газа, так как он растворяется в воде и может взаимодействовать с гидроксил-ионами с образованием: бикарбонатов. Концентрация образующегося бикарбоната будет зависеть от скорости протока жидкости, pH, температуры и со­держания в жидкой фазе ионов металлов и других веществ.

Количество образующегося бикарбоната сильно зависит от содержания белка в сырье: чем оно больше, тем богаче биогаз; метаном. Обычно биогаз содержит 60—70% метана. Он образу­ется со скоростью 0,5 м³ на килограмм сухой массы летучих компонентов; время удержания составляет около 15 суток. Это» соответствует приблизительно 0,3 м³ метана на килограмм су­хой массы твердых компонентов. Впрочем, точные оценки дать сложно, так как выход зависит от условий работы системы,, сырья и конструкции реактора.

В последних сообщениях об установках, перерабатывающих биомассу разного качества, приводятся выходы от 0,17 до» 0,4 м³ метана на килограмм сухой массы сырья. Скорость за­грузки при этом составляла от 1 до более чем 10 кг сырья на> кубометр реактора в сутки, время удержания 10—40 суток,, а глубина переработки субстрата от 20 до более чем 70%.

Повышение выхода за счет увеличения содержания энергии? в продукте будет способствовать повышению валового произ­водства энергии реактором. К сожалению, это не говорит о чис­том выходе энергии, который будет существенно ниже, так каю при таком ведении процесса энергозатраты возрастут. Количе­ство энергии, которую необходимо подать в конкретную систему, будет определяться характером идущего в ней процесса. Он в- свою очередь определяется микробной флорой и природой ис­пользуемого сырья.

Задачи научных исследований

Сегодня нам еще немного известно о биохимии микробов, участ­вующих в процессе. Внимания требует и инженерная сторона' дела: нужно усовершенствовать способы закачки сырья, измере­ния объемов газа, теплообеспечения, использования двигателей- внутреннего сгорания для производства электроэнергии и систе­мы контроля. Основой существенного улучшения экономических показателей могло бы стать уменьшение времени удержания,, нужного для эффективной переработки нерастворимых компо­нентов. Для этого следует в первую очередь улучшить способьг подготовки сырья.