Biogāze

Biogāzes enerģija

Biogāzes ražošanas process
Gāzveida enerģijas resursu biogāzi iegūst organiskās vielas (biomasas) anaerobajā pārstrādē vai metānrūgšanas jeb fermentācijas procesā. Metānrūgšana ir sens, dabā izplatīts process, kura laikā baktēriju asociācija sadala organiskās vielas.

Pirmajā fāzē no saliktajām organiskajām vielām ūdens klātbūtnē veidojas skābes, spirti, gāzes, aminoskābes, glicerīns u. c. vielas. Šo sadalīšanu veic parastie saprofīti vai hidrolītiskās baktērijas, kas ir dabā plaši izplatītas, strauji savairojas un dzīvo vidēji vidē ar pH 4,5-7. Šī skābā rūgšana raksturīga ar daudz skābju veidošanos, vides paskābināšanos un nepatīkamu smaku. Otrajā fāzē acetogēnie mikroorganismi (MO) turpina vielu sadalīšanu un metānveidojošie mikroorganismi tālāk trešajā fāzē sadala vielas, kas veidojās iepriekš. Izdalās gan CO2, gan CH4, H2, N u. c. Šajā stadijā darbojas fakultatīvi un stingri anaerobie MO, kas konkurē ar sulfātu reducējošiem MO. Parasti metanogēni ir pārsvarā, tādēļ izdalās tikai nedaudz H2S. Nav vērojamas stingras robežas starp fāzēm, it īpaši starp pirmajām divām, tāpēc bieži pētnieki tās apvieno.  Bioreaktorā darbojas daudz dažādu mikroorganismu grupas. Tās klasificē atkarībā no temperatūras, kurā tās dzīvo: psihrofīlās, mezofīlās un termofīlās.

Izejvielas
Kā izejviela anaerobajai pārstrādei var kalpot jebkura organiskā viela. Lietderīgi ir izmantot organiskos atkritumus. Lauku reģionos tie varētu būt kūtsmēsli, pārtikas u.c. ražošanas uzņēmumu organiskie atkritumi, augkopības atkritumi, meža un kokapstrādes atkritumi, kūdra, sadzīves organiskie atkritumi, notekūdeņu dūņas, augu zaļā masa u.c.. Biogāzes daudzums, ko var iegūt no dažādām izejvielām ir atšķirīgs un nav pastāvīgs lielums. Dažādi pētnieki, strādājot ar līdzīgām izejvielām, ir ieguvuši dažādus rezultātus. Tie ir atkarīgi no substrāta, anaerobā procesa norises apstākļiem, mikroorganismu sastāva un citiem faktoriem. Vieni no svarīgākajiem faktoriem, kas nosaka biogāzes ieguves potenciālu ir organiskās vielas (OV) saturs un sastāvs un īpaši trīs galveno OV grupas: ogļhidrātu, proteīnu un lipīdu saturs.

Kūtsmēsli ir biogāzes ražošanai vispiemērotākais materiāls un arī visizplatītākais atkritumu veids lauksaimnieciskā reģionā. To izmantošanu galvenokārt limitē savākšanas iespējas un lietderīgums, vadoties no transportēšanas attāluma līdz pārstrādes vietai. Visvieglāk biogāzi iegūt no liellopu mēsliem, jo tajos ir daudz mikroorganismu, kuri sadala organiskās vielas. Ja lieto daudz pakaišu un tos izvāc ar transportieriem, tad kūtsmēslos ir salīdzinoši liels sausnas saturs. Fermās, kur lieto daudz mazgāšanas ūdeni un arī slaukšanas zāles notekūdeņus sapludina kopējā tvertnē, kūtsmēsli ir šķidri.

Latvijā cūku turēšanai tiek izmantotas dažādas tehnoloģijas, bet visizplatītākā no tām praktiski visās lielajās fermās un kompleksos ir turēšana aizgaldos ar daļēju vai pilnīgu restu grīdu un bez pakaišiem vai ar nelielu to izmantošanu. Mēslu izvākšanai izmanto mēslu kanālus un skrāpju transportierus. Kā likums mēslos ir augsts mitruma saturs. Šādi šķidrmēsli, kuros bez ekskrementiem ir arī barības atliekas un pakaiši ir labi piemēroti biogāzes ražošanai. No mazajām fermām mēslus izmanto pilnībā apkārtējo lauku mēslošanai. Lielām fermām lielo šķidrmēslu apjomu dēļ rodas problēmas ar lietderīgu šķidrmēslu izmantošanu un apkārtējās vides saudzēšanu. Pēc noteikumiem pirms izliešanas uz lauka ir nepieciešama šķidrmēslu izturēšana ne mazāk kā 8 mēnešus, kuru laikā, kā tiek uzskatīts, iet bojā patogēnie mikroorganismi. Tādēļ jābūvē lielas mēslu krātuves. Anaerobā pārstrāde, īpaši, ja notiek termofīlā režīmā mēslus padara nekaitīgus un uzreiz izmantojamus, tādēļ ir īpaši labi pielietojama cūkkopības kompleksu problēmu risināšanai.

Putnu mēsli pēc savām īpašībām arī ir piemēroti biogāzes ražošanai. Tomēr arī ārzemēs tos šim nolūkam izmanto retāk sekojošu apstākļu dēļ:

  • putnu mēslos ir daudz procesu traucējošu piemaisījumu, piemēram, grants un spalvas var radīt sūknēšanas traucējumus, ja nelieto īpašus sūkņus;
  • C/N attiecība nav metanoģenēzei tik labvēlīga, jo ir daudz N, tāpēc vēlams tos sajaukt ar liellopu mēsliem vai citu vairāk C saturošu biomasu;
  • putnu mēsli ir ar lielu sausnas saturu un tāpēc vairāk piemēroti sausā mēslojuma gatavošanai ar vai bez tā žāvēšanas.

Latvijā tiek pielietotas vairākas putnu turēšanas tehnoloģijas- gan būros, gan arī uz grīdas ar pakaišiem un arī jaunputnus tur uz stiepļu režģu grīdas. Broileru audzēšanai galvenokārt izmanto turēšanu uz grīdas un kā pakaišus parasti izmanto zāģu skaidas, retāk salmus vai kūdru. Pēc audzēšanas perioda beigām, kad putnus nokauj, kūtis iztīra pilnībā. Iegūtie mēsli ir ar augstu sausnas un pakaišu saturu, bet arī tos var izmantot biogāzes ražošanai. Tagad tie tiek krauti komposta stirpās. Ja agrāk tos pilnībā izmantoja kā mēslojumu, tad tagad pieprasījums pēc tiem ir samazinājies un sākusies uzkrāšanās. Uzņēmumi meklē labākas utilizācijas iespējas.

Olu ražošanas fermās un fabrikās vēl ir iekārtas, kas mēslu iztīrīšanai izmanto arī ūdeni. Tur mēslu mitrums kopējā savākšanas tvertnē sasniedz 90%. Šādu mēslu pārstrādei ļoti piemērota ir anaerobās pārstrādes tehnoloģija. Arī te biogāzes ražošanas ieviešanu galvenokārt traucē tas, ka uzņēmumiem nav savas zemes, kur pēc tam izmantot šķidro mēslojumu. Tādēļ tie cenšas iegādāties tādas konstrukcijas vistu turēšanas baterijas, kurās žāvē arī mēslus. Tomēr tas nebūt nav vislabākais risinājums no ekonomiskā viedokļa, jo jāpatērē papildus enerģija, kas kļūst arvien dārgāka.
Vislielākais biogāzes ieguves potenciāls Latvijā ir no enerģijas augiem, augkopības produktiem.

Biogāzes sastāvs un īpašības
Biogāzes galvenie komponenti ir CH4 un CO2, kuru savstarpējā attiecība ir atkarīga no izejvielas un fermentācijas procesa. 
 
Gāzes veidošanās procesu ietekmējoši faktori
Anaerobie procesi var notikt kūtsmēslos gan ar lielu, gan mazu mitruma saturu. Šķidrajos un sausajos kūtsmēslos anaerobie procesi notiek pēc tām pašām galvenajām likumsakarībām, t.i. vispirms notiek hidrolīze un skābju u.c. vielu veidošanās, tad sākotnējo procesu gala produktu izmanto citi mikroorganismi un anaerobos apstākļos noteiktajā fermentācijas procesā veidojas biogāze. Bioreaktoros, šķidro atkritumu maisīšanas vai konvekcijas ceļā, notiek viegla mikroorganismu pārvietošanās uz nākošo oraganisko vielu (barību). Tādēļ te procesi notiek daudz straujāk, jo tiek uzturēti arī mikroorganismiem labvēlīgi nosacījumi; stabila temperatūra un vides reakcija.

Temperatūra. Bez atkritumu sastāva, procesu ietekmē arī citi faktori. Viens no galvenajiem faktoriem, kurš ietekmē metānrūgšanas procesu ir temperatūra. Pieņemts uzskatīt, ka ir trīs dažādi temperatūras režīmi: psihrofīlais 15-30oC, mezofīlais 31-42oC un termofīlais 48-60oC, kur darbojas katrai temperatūrai piemērojušies mikroorganismi. Daudzi pētnieki temperatūru pārejā no mezofīlās uz termofīlo norāda uz izdalītā biogāzes daudzuma samazināšanos diapazonā 43-48oC. Latvijā veiktajos laboratorijas pētījumos, raudzējot cūku mēslus temperatūrās no 25-60oC ar 2oC intervālu,  šādu biogāzes samazinājumu nenovēroja. Pie augstākām temperatūrām gāzes ieguve ir straujāka. Tās samazināšanās tika novērota no 58oC un pie 60oC jau ar diezgan strauju kritumu.

Joprojām vēl tiek diskutēts par to,  kurš temperatūras režīms ir labāks: mezofīlais vai termofīlais. Termofīlais patērē vairāk siltuma procesa temperatūras uzturēšanai, bet dod lielāku biogāzes ieguvi īsākā laikā un, it sevišķi, kas ir ļoti svarīgi - nodrošina pilnīgu pārstrādāto mēslu sanitāciju. Mūsu pētījumos pārliecinājāmies, ka runas par termofīlā režīma nestabilitāti nav pamatotas, ja prot to kontrolēt, tas ir stabils.

Mitrums. Otrs svarīgākais faktors, kas ietekmē biogāzes ieguvi, ir mitrums. Procesi straujāk notiek šķidrumos. Sausajiem atkritumiem mitrums (ūdens) ir jāpievada papildus.
Fermentācijas procesa stabilitāte ir ļoti atkarīga no pareizas biomasas organiskās vielas koncentrācijas bioreaktorā un tā ir saistīta ar masas izturēšanas laiku bioreaktorā.

Citi faktori. Vēl procesu ietekmē biomasas svaigums vai sadalīšanās pakāpe, vides reakcija-pH, cieto daļiņu klātbūtne un arī C:N attiecība u. c. faktori.
Par optimālu tiek uzskatīta C:N 15-20, bet ir praktiski piemēri ilgstoši strādājot arī ar C:N 8-10. Baktērijām ir milzīgas adaptācijas spējas, tās ātri pielāgojas. C:N uzlabošanai parasti lieto dažādu atkritumu sajaukumu.

Vides reakcija pH. Metānrūgšanas process notiek pie mainīga pH. Sākumā pēc svaigā produkta iepildīšanas pH samazinās, jo notiek skābju veidošanās, bet, ja metanogēni ir pietiekošā vairumā, tad tie izmanto skābes, ātri neitralizē vidi un process optimāli notiek pie pH 7-7,2 līdz pat pH=8, kad arī sākas inhibēšanās, ja nav jauna biomasa.

Maisīšana. Procesu ietekmē arī bioreaktora konstrukcija un substrāta maisīšana. Lēna (4-20 apgr/min) maisīšana procesu paātrina un nav nepieciešama straujāka maisīšana, kas patērē vairāk enerģijas.

Substrāta izturēšanas laiks bioreaktorā. Tas ir atkarīgs no organisko vielu sastāva, koncentrācijas, procesa temperatūras. Kūtsmēslu pārstrāde noris straujāk kā daudzu citu, celulozi un it īpaši lignīnu saturošu, materiālu (salmu, meža atkritumu, zaļmasas u.c.) pārstrāde. Visātrāk var pārstrādāt pārtikas ražošanas uzņēmumu atkritumus ar nelielu sausnas saturu.

Inhibitori. Procesu var inhibēt vielas, kas atrodas izšķīdušā stāvoklī. Ja olbaltumvielu saturs izejvielās ir liels, tad var būt liela NH3 koncentrācija. Uzskata, ka ja tā pārsniedz 2000 mg/l, tad process inhibējas. Procesu var inhibēt arī metāli, sulfīdi, nitrāti, ja to daudzums pārsniedz kritisko koncentrāciju.
Latvijā ir pārbaudīta antibiotiku un dezinfekcijas līdzekļu, ko lietoja cūkkopības kompleksā, ietekme uz biogāzes produkciju. Ja tās ir nelielās koncentrācijās, tad process neinhibējās.

Biogāzes ražošanas tehnoloģijas.
Biogāzes ražošanas tehnoloģijas ir atkarīgas no izejvielas mitruma un mitruma bioreaktorā. Ja sausnas saturs bioreaktorā nepārsniedz 10%, tad process sekmīgi var notikt tradicionālajos liela tilpuma bioreaktoros, kur notiek mitrā fermentācija. Bioreaktori var būt novietoti gan vertikāli, gan horizontāli.

Ja mitrums bioreaktorā ir 30% un vairāk, tad lietderīgi pielietot sauso fermentāciju. Sausās anaerobās fermentācijas īpatnības sekojošas:

  • Tiek fermentēta biomasa ar lielu sausnas saturu- dabīgi pļauta, sausna 20-30%,
  • Svaigo izejvielu jāsajauc ar fermentēto masu, lai apsētu ar baktērijām,
  • Mitrumu pievada papildus, parasti izsmidzinot no augšas,
  • No infiltrāta arī iegūst gāzi otrā reaktorā, infiltrātu recirkulē uz izejvielu.

Arī sausajai fermentācijai ir vairākas tehnoloģijas. Viena no visvairāk pielietotajām ir garāžas tipa tehnoloģija. Tur atsevišķās rūgšanas kamerās (garāžās vai bioreaktoros) izejviela tiek iepildīta vienreizējas iepildīšanas režīmā, tas ir tur tiek turēta, kamēr no izejvielas izdalās biogāze, un tikai tad izņemta atšķirībā no nepārtrauktas darbības iekārtām, kur izejviela tiek pildīta un izņemta katru dienu.

Atbalsta: