- 9.7.1. Главные особенности процесса
При переработке органических отходов в анаэробных условиях образуется горючий газ, на 60% состоящий из метана, и твердый остаток, содержащий весь или почти весь азот и все другие питательные вещества, содержащиеся в исходном растительном материале. В природе такой процесс развивается при недостатке кислорода в местах скопления веществ растительного или животного происхождения: в болотах, осадках на дне озер, а также в желудке травоядных. Он может протекать и в закрытой емкости, наполненной подходящим органическим веществом, куда не поступает воздух. Метанобразующие бактерии и некоторые другие микроорганизмы, продуцирующие нужные этим бактериям субстраты, формируют в таких условиях систему прочных симбиотических отношений, которая может функционировать неопределенно долгое время, если в нее в подходящем количестве поступают все новые порции отходов.
Температурный оптимум лежит в интервале 30—35 °C, и для его поддержания нужен подогрев. Этот процесс начали изучать еще во времена Пастера; ему посвящено множество работ, а сам процесс был значительно модифицирован, в частности применительно к очистке сточных вод. Это весьма удачный пример действующей биотехнологии, поскольку она может применяться в больших масштабах, оправдывающих капиталовложения и текущие расходы по внедрению. Переработка отходов при участии метанобразующего ила применяется на ряде крупных установок в Англии и других странах, что существенно уменьшает ее стоимость. Она осуществляется, например, на Магденской станции по переработке сточных вод в западной части Лондона (Thames Water Authority). Там установлено двадцать тэнков для переработки жидких отходов, диаметр каждого из них составляет 21,3 м, а глубина—10,4—16,0 м, с общим объемом 79000 м3. Эта станция продолжает действовать, хотя переработка отходов непрерывно производилась на ней в течение почти пятидесяти лет, и вырабатывает метан в количестве, достаточном для работы двухтопливных машин, постоянно подающих сжатый воздух для перемешивания содержимого тэнков и вырабатывающих электроэнергию, потребляемую всей станцией.
- 9.7.2. Переработка отходов сельского хозяйства
Еще в начале века было выявлено, что из навоза можно получать горючий газ, а отходы использовать как удобрение. Предпринимались попытки найти практическое применение этому процессу, но в целом интерес к нему был невелик до тех пор, пока нехватка горючего во время войны не заставила обратить на него внимание. C тех пор было сконструировано множество установок для производства метана, но все они имели две основные части: 1) герметичный тэнк или реактор, в котором осуществлялась ферментация; 2) емкость для газа, обычно накопительный плавающий колокол с емкостью, близкой к таковой у реактора.
В 40-х г. простейшие установки этого типа с реакторами емкостью около 10 м3 использовались французами в Северной Африке, и многие из них продолжали работать как там, так и во Франции до начала 50-х г. В это время в Англии тоже стали выпускать такие небольшие установки для продажи фермерам, но, по-видимому, лишь немногие из них нашли применение.
Простейшие установки периодического действия имеют ряд серьезных недостатков. Основной из них — трудность загрузки реактора полутвердыми отходами и его опорожнение, которые обычно проводят вручную. Неудобство заключается и в том, что надо иметь несколько реакторов, процесс в которых находится на разных стадиях, чтобы сгладить неравномерность в интенсивности образования газа, а также иметь возможность подогревать реакторы до 30—35 °C. Все это, без сомнения, препятствовало широкому использованию генераторов метана на фермах, и от них практически отказались, когда в 60-х годах было налажено снабжение баллонами с пропаном и бутаном.
Совсем иначе обстояло дело в послевоенной Германии, где были предприняты разработки крупных высокомеханизированных установок. Классическим примером может быть установка ≪Bihugas>>, построенная Ф. Шмидтом в Аллерхопе на ферме площадью 220 акров, где в 1950 г. содержалось 55 голов крупного рогатого скота, 180 свиней и 650 кур. По расчетам навоза от этих животных, если смешать его с соломой, было достаточно для производства 4,5∙ IO4 м3 газа в год. Установка включала несколько цилиндрических подогреваемых наземных реакторов, в которые насосами подавалась взвесь из навоза и резаной соломы. Ферментацию проводили непродолжительное время, в течение 5—21 сут, когда газ образовывался наиболее интенсивно. Увеличить выход газа путем продолжительной неэкономичной переработки не пытались. Безусловно, работа такой установки была весьма эффективной, но ее размеры и стоимость были таковы, что она могла работать только на самых крупных животноводческих фермах. Такие крупные установки, несмотря на их эффективность, нередко не выдерживали конкуренции с более обычными и дешевыми источниками энергии, и ими переставали пользоваться.
Резкий подъем цен на нефть в 70-х гг. вынудил фермеров к экономии, и неудивительно, что при этом вновь пробудился интерес к генераторам метана и эффективным методам переработки навоза. Нефтяной кризис послужил толчком к публикации в общедоступной прессе множества статей и заметок, которые призывали наладить производство метана в масштабах всей страны, на каждой ферме, в каждом доме и даже машине. Такие предложения нередко были сущей чепухой и свидетельствовали о неправильном понимании сути дела. Интерес к проблеме сохраняется до сих пор, и в области метаногенной ферментации были достигнуты серьезные успехи.
- 9.7.3. Микробиологические основы процесса
Метанобразующие бактерии являются строгими анаэробами; и при их исследовании ученые столкнулись с рядом проблем. Это касалось прежде всего их выделения, но сегодня эта задача облегчается тем, что сконструированы удобные установки» где созданы анаэробные условия. В настоящее время изучено множество таких бактерий, и мы многое узнали об особенностях их метаболизма.
На первой стадии процесса ферментации из растительной и фекальной массы образуются летучие жирные кислоты (уксусная, масляная). Важную роль при этом играют клостридии. Кислоты (за исключением уксусной) служат далее субстратом для группы уксуснокислых бактерий. В конечном счете в результате совместного действия этих групп бактерий образуются уксусная кислота, водород и углекислый газ, которые являются подходящим субстратом для метанобразующих бактерий. Эти бактерии относятся либо к ацетокластикам (например, Methanosarcina barkeri, которая превращает уксусную кислоту в метан и CO2), либо к группе бактерий, использующих водород (например, Methanospirillum hungatei, которая синтезирует метан из водорода и CO2). Взаимоотношения бактерий этих двух групп, а также способы регуляции самого процесса переработки подробно рассматриваются Мозеем (Mosey, 1982).
- 9.7.4. Современные разработки
Основная проблема, которая возникает на фермах, где содержится много животных, заключается в хранении навоза и использовании его наиболее выгодным образом. Если при этом в качестве побочного продукта будет образовываться метан и затраты на хранение навоза не увеличатся, то фермеры, безусловно, отнесутся к такой возможности положительно. Однако осуществить эту возможность на практике вряд ли удастся, поскольку эффективные механизированные установки, предназначенные для использования в развитом сельском хозяйстве, весьма дороги. В Англии сегодня выпускают реакторы улучшенной конструкции для переработки отходов ферм, но затраты на них едва ли можно компенсировать доходами от производства метана. Для переработки разбавленных промышленных отходов также сконструировано несколько интересных новых типов анаэробных реакторов, в которых используется принцип псевдоожиженного слоя, но здесь основная цель состоит в очистке стоков, а не в получении горючего газа.
Многие тысячи простейших реакторов были построены в Индии, Африке, на Дальнем Востоке и в Китаем. Здесь есть кому их обслуживать из-за избытка рабочих рук. Очень трудно, однако, оценить, насколько они на самом деле полезны и как долго прослужат.