• 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.