Производство биогаза традиционно осуществляют при сбраживании отходов животных, таких как твердый и жидкий навоз. Эти отходы жизнедеятельности животных можно перемешивать с другими хозяйственными отходами или отходами переработки сырья пищевой промышленности. В зависимости от состава перерабатываемого сырья, можно ожидать разного уровня и энергетической ценности выхода биогаза.
Количество образующихся отходов зависит от возраста и вида животных, а также от времени года. Среднее количество биогаза, которое можно получить из 1 м3 отходов жизнедеятельности животных, оценивается в 20-25 м3, хотя рентабельным количеством в технико-экономическом отношении считается 30-35 м3. Такое количество газа можно получить путем смешивания отходов животноводства и хозяйственных отходов с другим сырьем, отличающимся высоким содержанием сухой органической массы, а именно отходами предприятий пищевой промышленности или растительной массой.
Сбраживаемое сырье можно разделить на три категории:
- Сельскохозяйственное: твердый навоз, жидкая навозная жижа, энергетические культуры, остатки биомассы и т.д.;
- Промышленное: крахмал, отходы убойных цехов, молочных и сахарных заводов, фармацевтической, косметической и бумажной промышленности и др.;
- Хозяйственное: органические отходы, коммунальные стоки, обрезки сада и т.д.
Ферментационный материал можно разделить на основной (сбраживание которого может происходить самостоятельно, без добавления других видов сырья) и вспомогательный. Основным ферментационным материалом считают навоз, навозную жижу, молодую траву, а вспомогательным — растительные отходы от овощей и фруктов, органические отходы, остатки пищи, жиры, мелассу, органические продукты, которые расщепляются естественно — биологическим путем, хозяйственные стоки и т.п.
Благодаря добавлению вспомогательного материала с высоким содержанием сухой органической массы, производство биогаза может значительно возрасти, особенно при использовании жиров, добавление которых приводит к увеличению производства газа в несколько раз. Смешанная ферментация, то есть одновременное сбраживания различных типов и видов сырья, затягивает процесс накопления и требует сооружения резервуаров большого объема, однако это мероприятие окупается благодаря увеличению производства биогаза. Слишком большая загрузка органическими веществами, при этом, может нарушить соотношение сырья и, в результате, привести к внезапному снижению производства биогаза и даже к гибели колоний бактерий, отвечающих за процесс ферментации.
Подготовка сбраживаемого сырья требует выполнения определенных условий. Условием применения органического материала в процессе сбраживания является отсутствие в нем токсических соединений, а также соответствующая степень измельчения материала, что может увеличить производительность производства биогаза вплоть до 20%. Использование гомогенного сырья способствует эффективному протеканию процесса ферментации. Нежелательными компонентами процесса являются ингибиторы, которые трудно поддаются расщеплению биологическим путем, такие как: дезинфицирующие средства, детергенты, антибиотики и пестициды, используемые в сельском хозяйстве.
В процессе сбора основного урожая, большое количество побочной биомассы остается неиспользованной или сжигается на полях, образуя, таким образом, дополнительные выбросы углекислого газа в атмосферу. Эта биомасса может быть эффективно использована для получения биогаза. Биогазовый потенциал остаточной биомассы составляет в Украине 2,13 млн. т у.т.
На примере озимой пшеницы и кукурузы на зерно можно оценить энергетический потенциал побочных продуктов сельскохозяйственного производства, который может реализоваться при помощи биогазовой установки (см. рис.).
Рис. Ежегодный энергетический потенциал комплексной переработки основных и побочных сельскохозяйственных продуктов с 1 гектара посевной площади
Данный пример показывает, что при использовании таких побочных продуктов агропромышленного комплекса как солома и барда, можно получить дополнительно к основному продукту (спирт с энергетическим потенциалом 23 МВт*ч/га*год) почти в два раза больше энергии — 45 МВт*ч/га*год из побочных продуктов. При этом подготовка биомассы, в частности соломы, для анаэробной ферментации является важным фактором для возможности ее полного и эффективного использования.
В процессе сбора происходит первичная подготовка биомассы к анаэробному сбраживанию. Биомасса измельчается или собирается в тюки. Барда зерновых после переработки зерна в спирт в жидком состоянии может быть использована для получения биогаза или для орошения соломы при ее силосовании. Способ и качество подготовки биомассы влияет на дальнейший процесс ферментации с получением биогаза. Установлено, что подготовка биомассы осуществляется как для получения необходимой консистенции, которая позволяет организовать автоматическую подачу субстратов в метантенк, так и для изменения структуры биомассы, что, в свою очередь, влияет на количество метана при анаэробном сбраживании.
Подготовка биомассы включает отделение посторонних веществ и субстанций, измельчение, гомогенизацию и получение необходимого для сбраживания состава субстрата. Измельчения биомассы позволяет улучшить смешивание субстрата с содержанием емкости сбраживания и улучшает доступ бактериям к питательным веществам сырья. За счет этого процесс сбраживания протекает быстрее и в более полном объеме.