Биогаз выход газа. Биогазовая установка: переработка органических отходов с пользой. Отходы животноводства и птицеводства

Биогаз – газ получаемый в результате ферментации (сбраживания) органических веществ (например: соломы; сорняков; животного и человеческого кала; мусора; органических отходов сточных бытовых и промышленных вод, и т.д.) в анаэробных условиях. В производстве биогаза участвуют различные типы микроорганизмов с разнообразным количеством функций катаболизма.

Состав биогаза.

Биогаз более чем на половину состоит из метана (CH 4). Метан составляет примерно 60% биогаза. Кроме того, в биогазе содержится диоксид углерода (CO 2) около 35 %, а также другие газы, такие как водяной пар, сероводород, монооксид углерода, азот и прочие. Биогаз, полученный в различных условиях, различен в своем составе. Так биогаз из человеческих экскрементов, навоза, отходов убоя содержит до 70% метана, а из растительных остатков, как правило, около 55% метана.

Микробиология биогаза.

Биогазовое брожение в зависимости от микробного вида участвующих бактерий можно разделить на три этапа:

Первый называется началом брожения бактерий. Различные органические бактерии, размножаясь, выделяют внеклеточные ферменты, основная роль которых заключается в разрушении сложных органических соединений с гидролизным образованием простых веществ. Например, полисахариды в моносахариды; белок в пептиды или аминокислоты; жиры в глицерин и жирные кислоты.

Второй этап называется водородным. Образуется водород в результате деятельности уксуснокислых бактерий. Их основная роль заключается в бактериальном разложении уксусной кислоты с образованием двуокиси углерода и водорода.

Третий этап называется метаногеным. В нем участвует тип бактерий, известных как метаногены. Их роль состоит в использовании уксусной кислоты, водорода и диоксида углерода с образованием метана.

Классификация и характеристика сырья для ферментации биогаза.

Почти все природные органические материалы могут быть использованы в качестве сырья для ферментации биогаза. Основным сырьем для производства биогаза являются сточные воды: канализации; пищевой, фармацевтической и химической промышленности. В сельских районах это отходы, образующиеся при сборе урожая. Из-за различий в происхождении различен и процесс формирования, химический состав и структура биогаза.

Источники сырья для биогаза в зависимости от происхождения:

1.Сельскохозяйственное сырье.

Это сырье можно разделить на сырье с большим содержание азота и на сырье с большим содержанием углерода.

Сырье с большим содержанием азота:

человеческие фекалии, навоз скота, птичий помет. Соотношение углерод-азот составляет 25:1 или менее. Такое сырое было полностью переварено желудочно-кишечным трактом человека или животного. Как правило, содержит большое количество низкомолекулярных соединений. Вода в таком сырье частично преобразовалась и вошла в состав низкомолекулярных соединений. Это сырье характеризуется легким и быстрым анаэробным разложением на биогаз. А также богатым выходом метана.

Сырье с большим содержанием углерода:

солома и шелуха. Соотношение углерод-азот составляет 40:1. Имеет высокое содержание высокомолекулярных соединений: целлюлозы, гемицеллюлозы, пектина, лигнина, растительных восков. Анаэробного разложения происходит довольно медленно. Для того чтобы увеличить скорость производства газа такие материалы обычно требуют предварительной обработки перед брожением.

2. Городские органические водные отходы.

Включает отходы жизнедеятельности человека, канализацию, органические отходы, органические промышленные сточные воды, осадки в виде шлама.

3. Водные растения.

Включают водяной гиацинт, другие водные растения и водоросли. Расчетная плановая загрузка производственных мощностей характеризуются большой зависимостью от солнечной энергии. Имеют высокую доходность. Технологическая организация требует более аккуратный подход. Анаэробное разложение происходит легко. Метановый цикл короткий. Особенность такого сырья заключается в том, что без предварительной обработки оно всплывает в реакторе. Для того, чтобы это устранить сырье должна быть немного подсушено или предварительно компостировано в течении 2 дней.

Источники сырья для биогаза в зависимости от влажности:

1.Твердое сырье:

солома, органические отходы с относительно высоким содержанием сухого вещества. Их переработка происходит по методу сухой ферментации. Трудности возникают с удалением из ректора большого количества твердых отложений. Общее количество используемого сырья можно представить в виде суммы содержания сухих веществ (TS) и летучих веществ (VS). Летучие вещества можно преобразовать в метан. Для расчета летучих веществ образец сырья загружают в муфельную печь с температурой 530-570°С.

2. Жидкое сырье:

свежие фекалии, навоз, помет. Содержат около 20% сухого вещества. Дополнительно требуют добавления воды в количестве 10% для смешивания с твердым сырьем при сухой ферментации.

3. Органические отходы средней влажности:

барды спиртового производства, сточные воды целлюлозных заводов и др. Такое сырье содержит различное количество белков, жиров и углеводов, является хорошим сырьем для производства биогаза. Для этого сырья используют устройства по типу UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - восходящий анаэробный процесс).

Таблица1. Сведения о дебите (скорости образования) биогаза для условий: 1)температура сбраживания 30°С; 2)периодическое сбраживание

Наименование сбраживаемых отходов	Средняя скорость потока биогаза во время нормального производства газа (m 3 /m 3 /d)	Выход биогаза, m 3 /Kg/TS	Дебит биогаза (в % от общего объема производства биогаза)
			0-15 d	25-45 d	45-75 d	75-135 d
Сухой навоз	0,20	0,12	11	33,8	20,9	34,3
Вода химической промышленности	0,40	0,16	83	17	0	0
Рогульник (чилим, водяной орех)	0,38	0,20	23	45	32	0
Водяной салат	0,40	0,20	23	62	15	0
Свиной навоз	0,30	0,22	20	31,8	26	22,2
Сухая трава	0,20	0,21	13	11	43	33
Солома	0,35	0,23	9	50	16	25
Человеческие экскременты	0,53	0,31	45	22	27,3	5,7

Расчет процесса метанового брожения (ферментации).

Общие принципы инженерных расчетов ферментации базируются на увеличении загрузки органическим сырьем и сокращении продолжительности метанового цикла.

Расчет сырья на цикл.

Загрузка сырья характеризуется: Массовой долей TS (%), массовой долей VS (%), концентрацией COD (COD - chemical oxygen demand, что в переводе означает ХПК – химический показатель кислорода) (Kg/m 3). Концентрация зависит от типа ферментационных устройств. Например, современные промышленные реакторы для сточных вод - UASB (восходящий анаэробный процесс). Для твердого сырья используют AF (анаэробные фильтры) - обычно концентрация менее 1%. Промышленные отходы в качестве сырья для биогаза чаще всего имеют большую концентрацию и нуждаются в разбавлении.

Расчет скорости загрузки.

Для определения суточного количества загрузки реактора: концентрация COD (Kg/m 3 ·d), TS (Kg/m 3 ·d), VS (Kg/m 3 ·d). Эти показатели являются важным показателями оценки эффективности биогаза. Необходимо стремится к органичению нагрузки и в то же время при этом иметь высокий уровень объема получения газа.

Расчет отношения объема реактора к выходу газа.

Этот показатель является важным показателем оценки эффективности реактора. Измеряется в Kg/m 3 ·d.

Выход биогаза на единицу массы брожения.

Этот показатель характеризует текущее состояние производства биогаза. Например, объем газосборника 3 m 3 . Ежедневно подается 10 Kg/TS. Выход биогаза составляет 3/10 = 0,3 (m 3 /Kg/TS). В зависимости от ситуации можно использовать теоретический выход газа или фактический выход газа.

Теоретический выход биогаза определяется по формулам:

Производство метана (Е):

Е = 0.37A + 0.49B + 1.04C.

Производство углекислого газа (D):

D = 0.37A + 0.49B + 0.36C. Где А- содержание углеводов на грамм материала брожения, B- белка, C- содержание жира

Гидравлический объем.

Для повышения эффективности необходимо снижение срока ферментации. В определенной степени имеется связь с потерей ферментирующих микроорганизмов. В настоящее время некоторые эффективные реакторы имеют срок ферментации 12 дней и даже меньше. Гидравлический объем рассчитывается путем подсчета объема ежедневной загрузки сырья со дня, когда началась загрузка сырья и зависит от срока пребывания в реакторе. Например, планируется ферментация при 35°С, концентрация подачи сырья 8% (общее количество TS), суточный объем подачи 50 m 3 , период ферментации в реакторе 20 дней. Гидравлический объем составит: 50·20 = 100 m 3 .

Удаление органических загрязнений.

Производство биогаза, как и любое биохимическое производство, имеет отходы. Отходы биохимического производства могут наносить ущерб экологии в случаях бесконтрольной утилизации отходов. Например, попадая в реку по соседству. Современные крупные биогазовые установки продуцируют тысячи и даже десятки тысяч килограмм отходов в сутки. Качественный состав и пути утилизации отходов крупных биогазовых установок контролируются лабораториями предприятий и государственной экологической службой. Малые фермерские биогазовые установки не имеют такого контроля по двум причинам: 1) так как мало отходов, то вреда окружающей среде будет мало. 2) Проведение качественного анализа отходов требует специфического лабораторного оборудования и узко специализированного персонала. Этого у мелких фермеров нет, а государственные структуры справедливо считают такой контроль не целесообразным.

Показателем уровня загрязненности отходов биогазовых реакторов является ХПК (химический показатель кислорода).

Используют следующую математическую зависимость: ХПК органической скорости загрузки Kg/m 3 ·d= загрузочная концентрация ХПК (Kg/m 3) / гидравлический срок хранения (d).

Дебит газа в объеме реактора (kg/(m 3 ·d)) = выход биогаза (m 3 /kg) / ХПК органической скорости загрузки kg/(m 3 ·d).

Достоинства биогазовых энергетических установок:

твердые и жидкие отходы имеют специфический запах отпугивающий мух и грызунов;

возможность производить полезный конечный продукт - метан, который является чистым и удобным топливом;

в процессе брожения семена сорняков и некоторые из возбудителей погибают;

в процессе ферментации азот, фосфор, калий и другие ингредиенты удобрения почти полностью сохраняются, часть органического азота преобразуется в аммиачный азот, а это увеличивает его ценность;

ферментационный остаток может быть использован в качестве корма для животных;

для биогазового брожения не требуется применение кислорода из воздуха;

анаэробный шлам может храниться в течение нескольких месяцев без добавления питательных веществ, а затем при загрузке первичного сырья брожение может быстро начаться снова.

Недостатки биогазовых энергетических установок:

сложное устройство и требует относительно больших инвестиций в строительство;

требуется высокий уровень строительства, управления и обслуживания;

первоначальное анаэробное распространение брожения происходит медленно.

Особенности процесса метанового брожения и управление процессом:

1.Температура получения биогаза.

Температура для получения биогаза может быть в относительно широком диапазоне температур 4~65°С. С увеличением температуры скорость получения биогаза возрастает, но не линейно. Температура 40~55°С является переходной зоной жизнедеятельности различных микроорганизмов: термофильных и мезофильных бактерии. Самый высокий темп анаэробного брожения происходит в узком диапазоне температур 50~55°С. При температуре брожения 10°С за 90 дней дебит газа составляет 59%, но этот же дебит при температуре брожения 30°С происходит за 27 дней.

Внезапное изменение температуры будет иметь значительное влияние на производство биогаза. Проектом биогазовой установки обязательно должно предусматриваться контролирование такого параметра как температура. Температурные изменения более чем на 5°С, значительно снижают производительность биогазового реактора. Например, если температура в биогазовом реакторе была продолжительное время 35°С, а затем неожиданно снизилась до 20°С, то производство биогазового реактора почти полностью остановится.

2. Прививочный материал.

Чтобы завершить метановое брожение, как правило, требуется определенное количество и тип микроорганизмов. Богатый метановыми микробами осадок называется прививочный. Биогазовое брожение широко распространено в природе и точно также широко распространены места с прививочным материалом. Это: канализационные шламы, иловые отложения, донные осадки навозных ям, различные осадки сточных вод, пищеварительные остатки и т.д. Из-за обильного органического вещества и хороших анаэробных условий в них образуются богатые микробные сообщества.

Посев, добавленный впервые в новый биогазовый реактор может значительно снизить период стагнации. В новом биогазовом реакторе необходимо вручную вносить подкормку прививочным материалом. При использовании промышленных отходов в качестве сырья этому уделяется особое внимание.

3. Анаэробная среда.

Анаэробность среды определяется степенью анаэробности. Обычно окислительно-восстановительный потенциал принято обозначать величиной Eh. В анаэробных условиях Eh имеет отрицательное значение. Для анаэробных метановых бактерий Eh лежит в пределах -300 ~ -350mV. Некоторые бактерии продуцирующие факультативные кислоты способны жить нормальной жизнью при Eh -100 ~ + 100 мВ.

В целях обеспечения анаэробных условий должно обеспечиваться построение плотно закрытых биогазовых реакторов, обеспечивающих водонепроницаемость и отсутствие утечек. Для крупных промышленных биогазовых реакторов величина Eh всегда контролируется. Для мелких фермерских биогазовых реакторов возникает проблема контроля этой величины из-за необходимости закупки дорогостоящего и сложного оборудования.

4. Контроль кислотности среды (рН) в биогазовом реакторе.

Метаногены необходим диапазон рН в очень узком диапазоне. В среднем рН=7. Брожение происходит в диапазоне рН от 6,8 до 7,5. Контроль за величиной кислотности рН доступен для мелких биогазовых реакторов. Для этого многие фермеры применяют одноразовые лакмусовые индикаторные бумажные полоски. На крупных предприятиях часто используют электронные приборы контроля рН. При нормальных обстоятельствах, баланс метанового брожения носит вид естественного процесса, как правило, без регулировки рН. Только в отдельных случаях бесхозяйственности появляются массовые скопления летучих кислот, снижение рН.

Мерами по смягчению последствий повышенной кислотности рН являются:

(1) Заменить частично среду в биогазовом реакторе, и тем самым разбавить содержание летучих кислот. Этим увеличится рН.

(2) Внести золу или аммиак для повышения рН.

(3) Довести рН известью. Эта мера особенно эффективна для случаев сверхвысоких содержаний кислоты.

5. Перемешивание среды в биогазовом реакторе.

В обычном бродильном чане в результате брожения среда обычно делится на четыре слоя: верхняя корка, надосадочный слой, активный слой и слой осадка.

Цель перемешивания:

1) переселение активных бактерий на новую порцию первичного сырья, увеличение поверхности контакта микробов и сырья для ускорения темпов получения биогаза, повышение эффективности использования сырья.

2) избежание образования толстого слоя корки, создающего сопротивление для выхода биогаза. К перемешиванию особенно требовательно такое сырьё как: солома, сорняки, листья и т.д. В толстом слое корки создаются условия для накопления кислоты, что является не допустимым.

Способы перемешивания:

1) механическое перемешивание колесами различного типа, установленными внутри рабочего пространства биогазового реактора.

2) перемешивание биогазом, отбираемым из верхней части биореактора и подающимся в нижнюю часть с избыточным давлением.

3) перемешивание циркулирующим гидравлическим насосом.

6. Соотношение углерода к азоту.

Эффективному брожению способствует только оптимальное соотношение питательных веществ. Основным показателем является соотношение углерода к азоту (C: N). Оптимальное соотношение 25:1. Многочисленными исследованиями доказано, что пределы оптимального соотношения составляют 20-30:1, а производство биогаза значительно снижается при соотношении 35:1. Экспериментальными исследованиями выявлено, что биогазовое брожение возможно при соотношении углерода к азоту 6:1.

7. Давление.

Метановые бактерии могут приспосабливаться к большим гидростатическим давлениям (около 40 метров и более). Но они очень чувствительны к изменениям давления и из-за этого возникает необходимость в стабильном давлении (отсутствии резких перепадов давления). Значительные изменения давления могут происходить в случаях: значительного возрастания потребления биогаза, относительно быстрой и большой загрузки биореактора первичным сырьём или аналогичной разгрузки реактора от отложений (чистке).

Способы стабилизации давления:

2) подачу свежего первичного сырья и чистку производить одновременно и с одинаковой скоростью разрядки;

3) установка плавающих крышек на биогазовый реактор позволяет сохранять относительно стабильное давление.

8. Активаторы и ингибиторы.

Некоторые вещества после добавления небольшого количества улучшают производительность биогазового реактора, такие вещества, известные как активаторы. В то время как другие вещества добавленые в небольших количествах приводят к значительному сдерживанию процессов в биогазовом реакторе, такие вещества, называют ингибиторами.

Известны многие типы активаторов, в том числе некоторые ферменты, неорганические соли, органические и неорганические вещества. Например, добавление определенного количества фермента целлюлазы значительно облегчает производство биогаза. Добавка 5 mg/Kg высших оксидов (R 2 О 5) может увеличить добычу газа на 17%. Дебит биогаза для первичного сырья из соломы и подобных ей можно значительно увеличить добавкой аммония гидрокарбоната (NH 4 HCO 3). Активаторами также являются активированный уголь или торф. Подача в биореактор водорода может резко увеличить производство метана.

Ингибиторы в основном относится к некоторым из соединений ионов металлов, солей, фунгицидов.

Классификация процессов брожения.

Метановая ферментация является строго анаэробной ферментацией. Процессы брожения делятся на следующие типы:

Классификация по температуре брожения.

Может быть разделена на "естественную" температуры брожения (ферментации переменной температуры), в этом случае температура брожения около 35°С и процесс с высокой температурой брожения (около 53°С).

Классификация по дифференциальности.

По дифференциальности ферментации можно разделить на одноступенчатое брожение, двухступенчатое брожение и многоступенчатое брожение.

1) Одноступенчатое брожение.

Относится к наиболее общему типу брожения. Это относится к аппаратам, в которых одновременно происходит продуцирование кислот и метана. Одноступенчатое брожения может быть менее эффективно по показателю БПК (Биологическому Потреблению Кислорода) чем двух- и многоступенчатое брожение.

2) Двухступенчатое брожение.

Основано на отдельном брожении кислот и метаногенных микроорганизмов. Эти два типа микробов имеют разную физиологию и потребность в питании, существуют значительные различия в росте, обменных характеристиках и других аспектах. Двухэтапное брожения может значительно повысить дебит биогаза и разложение летучих жирных кислот, сократить цикл ферментации, принести значительную экономию эксплуатационных расходов, эффективно удалить органические загрязнения из отходов.

3) Многоступенчатое брожение.

Применяется для первичного сырья богатого целлюлозой в следующей последовательности:

(1) Производят гидролиз целлюлозного материала в присутствии кислот и щелочей. Происходит образование глюкозы.

(2) Вносят прививочный материал. Обычно это активный осадок или сточные воды биогазового реактора.

(3) Создают подходящие условия для продуцирования кислотных бактерий (продуцирующих летучие кислоты): pH=5,7 (но не более 6,0), Eh=-240mV, температура 22°С. На этой стадии образуются такие летучие кислоты: уксусная, пропионовая, масляная, изомасляная.

(4) Создают подходящие условия для продуцирования метановых бактерий: pH=7,4-7,5, Eh=-330mV, температура 36-37°С

Классификация по переодичности.

Технология брожение классифицируется на переодическое брожение, непрерывное брожение, полунепрерывное брожение.

1) Периодическое брожение.

В биогазовый реактор едино разово загружают сырье и прививочный материал и подвергают его брожению. Такой способ применяют когда имеются трудности и неудобства загрузки первичного сырья, а также выгрузки отходов. Например, не измельченная солома или крупногабаритные брикеты органических отходов.

2) Непрерывное брожение.

К нему относятся случаи, когда планово несколько раз в день в биоректор загружают сырье и удаляют ферментационные стоки.

3) Полунепрерывное брожение.

Это относится к биогазовым реакторам, для которых нормальным считается время от времени не равными количествами добавлять различное первичное сырье. Такая технологическая схема наиболее часто используется мелкими фермерскими хозяйствами Китая и связана с особенностями ведения сельхоз. работ. Биогазовые реакторы полунепрерывного брожения могут иметь различные отличия в конструкциях. Ниже рассмотрены эти конструкции.

Схема №1. Биогазовый реактор с неподвижной крышкой.

Особенности конструкции: комбинирование бродильной камеры и хранилища биогаза в одном сооружении: в нижней части бродит сырье; в верхней части храниться биогаз.

Принцип действия:

Биогаз выходит из жидкости и собирается под крышкой биогазового реактора в его куполе. Давление биогаза уравновешивается весом жидкости. Чем больше давление газа, тем больше жидкости покидает бродильную камеру. Чем меньше давление газа, тем больше жидкости поступает в бродильную камеру. В процессе работы биогазового реактора внутри него всегда есть жидкость и газ. Но в разных соотношениях.

Схема№2. Биогазовый реактор с плавающей крышкой.

Схема№3. Биогазовый реактор с неподвижной крышкой и внешним газгольдером.

Особенности конструкции: 1) взамен плавающей крышки имеет отдельно построенный газгольдер; 2) давление биогаза на выходе постоянно.

Достоинства Схемы №3: 1) идеально подходит для работы биогазовых горелок, строго требующих определенный номинал давления; 2) при малой активности брожения в биогазовом реакторе есть возможность обеспечить стабильное и высокое давление биогаза у потребителя.

Руководство по строительству бытового биогазового реактора.

GB/T 4750-2002 Бытовые биогазовые реакторы.

GB/T 4751-2002 Приемка по качеству бытовых биогазовых реакторов.

GB/T 4752-2002 Правила строительства бытовых биогазовых реакторов.

GB 175 -1999 Портландцемент, портландцемент обыкновенный.

GB 134-1999 Шлакопортландцемент, цемент из вулканического туфа и цемент из зольной пыли.

GB 50203-1998 Строительство каменной кладки и приемка.

JGJ52-1992 Стандарт качества обыкновенного бетона из песка. Методы испытаний.

JGJ53- 1992 Стандарт качества обыкновенного бетона из щебня или гравия. Методы испытаний.

JGJ81 -1985 Механические характеристики обыкновенного бетона. Метод испытаний.

JGJ/T 23-1992 Техническая спецификация для испытания прочности бетона на сжатие методом отскока.

JGJ70 -90 Строительный раствор. Метод испытания на основные характеристики.

GB 5101-1998 Кирпичи.

GB 50164-92 Контроль качества бетона.

Воздухонепроницаемость.

Конструкция биогазового реактора обеспечивает внутреннее давление 8000 (или 4000 Pa). Степень утечки после 24 ч менее 3%.

Единица производства биогаза на объем реактора.

Для удовлетворительных условий производства биогаза считается нормальным, когда на кубический метр объема реактора производится 0,20-0,40 m 3 биогаза.

Нормальный объем газового хранилища составляет 50% суточного производства биогаза.

Коэффициент запаса прочности не менее K=2,65.

Нормальный срок эксплуатации не менее 20 лет.

Живая нагрузка 2 kN/m 2 .

Значение несущей способности конструкции фундамента не менее 50 kPa.

Газовые резервуары рассчитаны на давление не более 8000 Pa, а с плавающей крышкой на давление не более 4000 Pa.

Максимальный предел давления для бассейна не более 12000 Pa.

Минимальная толщина арочного свода реактора не менее 250 mm.

Максимальная загрузка реактора составляет 90% его объема.

Конструкцией реактора предусматривается наличие под крышкой реактора места для флотации газа составляющее 50% суточного производства биогаза.

Объем реактора составляет 6 m 3 , дебит газа 0,20 m 3 /m 3 /d.

Возможна постройка реакторов с объемом 4 m 3 , 8 m 3 , 10 m 3 по этим чертежам. Для этого необходимо использовать поправочные размерные величины, указанные в таблице на чертежах.

Подготовка к строительству биогазового реактора.

Выбор типа биогазового реактора зависит от количества и характеристик сбраживаемого сырья. Кроме того выбор зависит от местных гидрогеологических и климатических условий и уровня строительной техники.

Бытовой биогазовый реактор должен располагаться вблизи туалетов и помещений со скотом на удалении не более 25 метров. Место расположения биогазового реактора должно быть с подветренной и солнечной стороны на твердом грунте с низким уровнем подземных вод.

Для выбора дизайна биогазового реактора используйте таблицы расхода строительных материалов приведенные ниже.

Таблица3. Шкала материалов для биогазового реактора из сборных бетонных панелей

		Объем реактора, m 3
		4	6	8	10
	Объем, m 3	1,828	2,148	2,508	2,956
	Цемент, kg	523	614	717	845
	Песок, m 3	0,725	0,852	0,995	1,172
	Гравий, m 3	1,579	1,856	2,167	2,553
	Объем, m 3	0,393	0,489	0,551	0,658
	Цемент, kg	158	197	222	265
	Песок, m 3	0,371	0,461	0,519	0,620
Цементная паста	Цемент, kg	78	93	103	120
Общее количество материала	Цемент, kg	759	904	1042	1230
	Песок, m 3	1,096	1,313	1,514	1,792
	Гравий, m 3	1,579	1,856	2,167	2,553

Таблица4. Шкала материалов для биогазового реактора из сборных железобетонных панелей

		Объем реактора, m 3
		4	6	8	10
	Объем, m 3	1,540	1,840	2,104	2,384
	Цемент, kg	471	561	691	789
	Песок, m 3	0,863	0,990	1,120	1,260
	Гравий, m 3	1,413	1,690	1,900	2,170
Оштукатуривание сборного корпуса	Объем, m 3	0,393	0,489	0,551	0,658
	Цемент, kg	158	197	222	265
	Песок, m 3	0,371	0,461	0,519	0,620
Цементная паста	Цемент, kg	78	93	103	120
Общее количество материала	Цемент, kg	707	851	1016	1174
	Песок, m 3	1,234	1,451	1,639	1,880
	Гравий, m 3	1,413	1,690	1,900	2,170
Стальные материалы	Стальной прут диаметр 12 mm, kg	14	18,98	20,98	23,00
	Стальная арматура диаметр 6,5 mm, kg	10	13,55	14,00	15,00

Таблица5. Шкала материалов для биогазового реактора из монолитного бетона

		Объем реактора, m 3
		4	6	8	10
	Объем, m 3	1,257	1,635	2,017	2,239
	Цемент, kg	350	455	561	623
	Песок, m 3	0,622	0,809	0,997	1,107
	Гравий, m 3	0,959	1,250	1,510	1,710
Оштукатуривание сборного корпуса	Объем, m 3	0,277	0,347	0,400	0,508
	Цемент, kg	113	142	163	208
	Песок, m 3	0,259	0,324	0,374	0,475
Цементная паста	Цемент, kg	6	7	9	11
Общее количество материала	Цемент, kg	469	604	733	842
	Песок, m 3	0,881	1,133	1,371	1,582
	Гравий, m 3	0,959	1,250	1,540	1,710

Таблица6. Условные обозначения на чертежах.

Описание	Обозначение на чертежах
Материалы:
Штруба (траншея в грунте)
Символы:
Ссылка на чертеж детали. Верхняя цифра указывает на номер детали. Нижняя цифра указывает на номер чертежа с подробным описанием детали. Если вместо нижней цифры указан знак «-», то это указывает, что подробное описание детали представлено на этом чертеже.
Разрез детали. Жирными линиями указана плоскость разреза и направление взгляда, а цифрами указан идентификационный номер разреза.
Стрелкой указан радиус. Цифры после буквы R обозначают значение радиуса.
Общепринятые:
Соответственно большая полуось и короткая ось эллипсоида
Длина

Конструкции биогазовых реакторов.

Особенности:

Тип конструктивной особенности основного бассейна.

Дно имеет уклон от впускного окна к выпускному окну. Это обеспечивает образование постоянство движущегося потока. На чертежах №№ 1-9 указаны три типа конструкций биогазового реактора: тип А, тип В, тип С.

Биогазовый реактор тип А: Устроен наиболее просто. Удаление жидкой субстанции предусматривается только через выпускное окно силой давления биогаза внутри бродильной камеры.

Биогазовый реактор тип В: Основной бассейн оснащен вертикальной трубой в центре, через которую в процессе эксплуатации можно производить подачу или удаление жидкой субстанции в зависимости от такой необходимости. Кроме этого для формирования потока субстанции через вертикальную трубу этот тип биогазового реактора имеет отражающую (дефлекторную) перегородку на дне основного бассейна.

Биогазовый реактор тип С: Имеет сходную конструкцию с реактором типа В. Однако, оснащен ручным поршневым насосом простой конструкции, установленным в центральной вертикальной трубе, а также другие отражающие перегородки на дне основного бассейна. Эти конструктивные особенности позволяют эффективно контролировать параметры основных технологических процессов в основном бассейне за счет простоты экспресс проб. А также использовать биогазовый реактор в качестве донора биогазовых бактерий. В реакторе этого типа более полно происходит диффузия (перемешивание) субстрата, что в свою очередь увеличивает выход биогаза.

Характеристики сбраживания:

Процесс заключается в отборе прививочного материала; подготовке первичного сырья (доводки по плотности водой, доводки кислотности, внесении прививочного материала); сбраживании (контроль смешивания субстрата и температуры).

В качестве ферментационного материала используются человеческие фекалии, навоз домашнего скота, птичий помет. При непрерывном процессе сбраживания создаются относительно стабильные условия эффективной работы биогазового реактора.

Принципы проектирования.

Соответствие «триединой» системе (биогаз, туалет, хлев). Биогазовый реактор представляет собой вертикальный цилиндрический резервуар. Высота цилиндрической части H=1 m. Верхняя часть резервуара имеет арочный свод. Соотношение высоты свода к диаметру цилиндрической части f 1 /D=1/5. Дно имеет наклон от впускного окна к выпускному окну. Угол наклона 5 градусов.

Конструкция резервуара обеспечивает удовлетворительные условия брожения. Движение субстрата происходит самотеком. Система работает при полной загрузке резервуара и сама себя контролирует по времени пребывания сырья за счет увеличения производства биогаза. Биогазовые реакторы типов В и С имеют дополнительные устройства для обработки субстрата.

Загрузка резервуара сырьем может быть не полной. Это снижает газовую производительность без ущерба эффективности.

Низкая стоимость, простота управления, широкое народное распространение.

Описание строительных материалов.

Материал стен, дна, свода биогазового реактора – бетон.

Детали квадратного сечения, такие как загрузочный канал, могут быть сделаны из кирпича. Бетонные конструкции могут быть выполнены заливкой бетонной смеси, но могут быть выполнены из сборных бетонных элементов (такие как: крышка впускного окна, садок для бактерий, труба по центру). Садок для бактерий круглый в сечении и состоит из битой яичной скорлупы, помещенной в оплетку.

Последовательность строительных операций.

Метод опалубочной заливки заключается в следующем. На земле делается разметка контура будущего биогазового реактора. Извлекается грунт. Сначала заливается дно. На дно устанавливается опалубка для заливки бетона по кольцу. Заливаются стенки с применением опалубки и затем арочный свод. Для опалубки может быть использована сталь, дерево или кирпич. Заливку производят симметрично и для прочности применяют трамбовочные устройства. Излишки текучего бетона убирают шпателем.

Строительные чертежи.

Строительство производится по чертежам №№1-9.

Чертеж 1. Биогазовый реактор 6 m 3 . Тип А:

Чертеж 2. Биогазовый реактор 6 m 3 . Тип А:

Строительство биогазовых реакторов из сборных железобетонных плит является более совершенной технологией строительства. Эта технология более совершенна за счет простоты реализации соблюдения точности размеров, снижения сроков и затрат на строительство. Главной особенностью строительства является то, что основные элементы реактора (арочный свод, стены, каналы, крышки) изготавливаются вдали от места установки, затем они транспортируются на место установки и собираются на месте в большом котловане. При сборке такого реактора основное внимание уделяется соответствие точности установки по горизонтали и вертикали, а также плотности стыковых соединений.

Чертеж 13. Биогазовый реактор 6 m 3 . Детали биогазового реактора из железобетонных плит:

Чертеж 14. Биогазовый реактор 6 m 3 . Элементы сборки биогазового реактора:

Чертеж 15. Биогазовый реактор 6 m 3 . Элементы сборки железобетонного реактора:

Доброго времени суток всем! Этот пост продолжает тему альтернативной энергетики для вашего. В нем я вам расскажу о биогазе и его использовании для обогрева жилища и приготовления пищи. Наиболее эта тема интересна фермерам, у которых есть доступ к разнообразному сырью для получения этого вида топлива. Давайте для начала разберемся в том, что такое биогаз и откуда он берется.

Откуда берется биогаз и из чего он состоит?

Биогаз — горючий газ, возникающий как продукт жизнедеятельности микроорганизмов в питательной среде. Этой питательной средой может быть навоз или силос, который закладывается в специальный бункер. В этом бункере, который называется реактором, и происходит образование биогаза. Внутри реактор будет устроен следующим образом:

Для ускорения процесса брожения биомассы необходим ее подогрев. Для этого может быть использован ТЭН или теплообменник, подключенный к любому отопительному котлу. Нельзя забывать и о хорошей теплоизоляции, чтобы избежать лишних затрат энергии на подогрев. Кроме подогрева, бродящую массу необходимо перемешивать. Без этого КПД установки может значительно снижаться. Перемешивание может быть ручным или механическим. Тут все зависит от бюджета или имеющихся в наличии технических средств. Самое главное в реакторе — это объем! Маленький реактор просто физически не способен выдать большое количество газа.

Химический состав газа сильно зависит от того какие процессы протекают в реакторе. Чаще всего там происходит процесс метанового брожения, в результате которого образуется газ с большим процентным содержанием метана. Но вместо метанового брожения вполне может происходить процесс с образованием водорода. Но по моему мнению, для обычного потребителя водород не нужен, а может даже и опасен. Вспомните хотя бы гибель дирижабля Гинденбург. Теперь давайте разберемся из чего можно получать биогаз.

Из чего можно получать биогаз?

Газ можно получать из различных видов биомассы. Давайте перечислю их в виде списка:

• Отходы пищевых производств — это могут быть отходы от забоя скота или молочного производства. Подойдут отходы от производства подсолнечного или хлопкового масла. Это далеко не полный список, но для передачи сути достаточно. Данный вид сырья дает наибольшее содержание метана в газе (доходит до 85%).
• Сельскохозяйственные культуры — для получения газа в некоторых случаях выращивают специальные виды растений. Например, для этого подойдет силосная кукуруза или морские водоросли. Процент содержания метана в газе держится в районе 70%.
• Навоз — чаще всего применяется на больших животноводческих комплексах. Процентное содержание метана в газе, при использовании навоза в качестве сырья, обычно не превышает 60%, а все остальное это будет двуокись углерода и совсем немножко сероводород и аммиак.

Структурная схема установки для биогаза.

Для того, чтобы наилучшим образом понимать как работает установка для получения биогаза давайте рассмотрим следующий рисунок:

Устройство биореактора было рассмотрено выше, поэтому о нем говорить не будем. Рассмотрим другие составные части установки:

• Приемник отходов — это некая емкость, в которую попадает сырье на первом этапе. В ней сырье может смешиваться с водой и измельчаться.
• Насос (после приемника отходов) — фекальный насос, при помощи которого биомасса перекачивается внутрь реактора.
• Котел — отопительный котел на любом топливе, предназначенный для обогрева биомассы внутри реактора.
• Насос (рядом с котлом) — циркуляционный насос.
• «Удобрения» — емкость, в которую попадает перебродивший ил. Он, как понятно, из контекста может использоваться как удобрение.
• Фильтр — устройство, в котором происходит доведение биогаза до кондиции. В фильтре убираются лишние примеси газов и влаги.
• Компрессор — осуществляет сжатие газа.
• Газовое хранилище — герметичная цистерна, в которой готовый к применению газ может хранится сколь угодно долго.

Биогаз для частного дома.

Многие владельцы небольших ферм задумываются об использовании биогаза для внутренних нужд. Но разузнав по-подробнее о том, как все это работает большинство оставляет эту затею. Связано это с тем, что оборудование для переработки навоза или силоса стоит огромных денег, а выход газа (в зависимости от сырья)может получиться небольшим. Это в свою очередь делает установку оборудования невыгодным. Обычно, для частных домов фермеров устанавливают примитивные установки, работающие на навозе. Они, чаще всего, способны обеспечить газом только кухню и маломощный настенный газовый котел. При этом на сам технологический процесс придется затратить немало энергии — на подогрев, перекачку, работу компрессора. Дорогостоящие фильтра тоже нельзя исключать из поля зрения.

В общем, мораль тут такая — чем больше сама установка, тем выгоднее ее работа. А для домашних условий это практически всегда невыполнимо. Но это не значит, что домашних установок никто не делает. Предлагаю вам посмотреть следующее видео, чтобы увидеть как это выглядит из подручных материалов:

Резюме.

Биогаз — отличный способ полезной переработки органических отходов. На выходе получается топливо и полезное удобрение в виде перебродившего ила. Данная технология работает тем эффективней, чем больший объем сырья перерабатывается. Современные технологии позволяют серьезно увеличить выработку газа при помощи применения специальных катализаторов и микроорганизмов. Главным минусом всего этого является высокая цена одного кубометра. Для обычных людей чаще всего будет гораздо дешевле покупать газ в баллонах, чем делать установку по переработке отходов. Но, конечно, из всех правил есть исключения, поэтому перед тем, как принять решение о переходе на биогаз стоит посчитать цену кубометра и сроки окупаемости. На этом пока все, пишите вопросы в комментариях

http :// www .74 rif . ru / biogaz - konst . html Информационный центр
поддержки предпринимательства
в мире топливных и автомобильных технологий

Выход биогаза и содержание метана

Выход биогаза обычно подсчитывается в литрах или кубических метрах на килограмм сухого вещества, содержащегося в навозе. В таблице показаны значения выхода биогаза на килограмм сухого вещества для разных видов сырья после 10-20 дней ферментации при мезофильной температуре.

Для определения выхода биогаза из свежего сырья с помощью таблицы сначала нужно определить влажность свежего сырья. Для этого можно взять килограмм свежего навоза, высушить его и взвесить сухой остаток. Влажность навоза в процентах можно подсчитать по формуле: (1 - вес высушенного навоза)х100%.

Тип сырья	Выход газа (м 3 на килограмм сухого вещества)	Содержание метана (%)
А. навоз животных
Навоз КРС	0,250 - 0,340	65
Свиной навоз	0,340 - 0,580	65 - 70
Птичий помет	0,310 - 0,620	60
Конский навоз	0,200 - 0,300	56 - 60
Овечий навоз	0,300 - 620	70
Б. Отходы хозяйства
Сточные воды, фекалии	0,310 - 0,740	70
Овощные отходы	0,330 - 0,500	50-70
Картофельная ботва	0,280 - 0,490	60 - 75
Свекольная ботва	0,400 - 0,500	85
С. Растительные сухие отходы
Пшеничная солома	0,200 - 0,300	50 - 60
Солома ржи	0,200 - 0,300	59
Ячменная солома	0,250 - 0,300	59
Овсяная солома	0,290 - 0,310	59
Кукурузная солома	0,380 - 0,460	59
Лен	0,360	59
Конопля	0,360	59
Свекольный жом	0,165
Листья подсолнечника	0,300	59
Клевер	0,430 - 0,490
D. Другое
Трава	0,280 - 0,630	70
Листва деревьев	0,210 - 0,290	58

Выход биогаза и содержание в нем метана при использовании разных типов сырья

Подсчитать, какое количество свежего навоза с определенной влажностью будет соответствовать 1 кг сухого вещества, можно следующим образом: от 100 отнимаем значение влажности навоза в процентах, а затем делим 100 на это значение:

100: (100% - влажность в %).

Пример 1.	Если вы определили, что влажность используемого в качестве сырья навоза КРС равна 85%. то 1 килограмм сухого вещества будет соответствовать 100:(100-85) = около 6,6 килограмма свежего навоза. Значит, с 6.6 килограмма свежего навоза мы получаем 0,250 - 0,320 м 3 биогаза: а с 1 килограмма свежего навоза КРС можно получить в 6.6 раза меньше: 0.037 - 0,048 м 3 биогаза.
Пример 2.	Вы определили влажность свиного навоза - 80%, значит, 1 килограмм сухого вещества будет равен 5 килограммам свежего свиного навоза. Из таблицы мы знаем, что 1 килограмм сухого вещества или 5 кг свежего свиного навоза выделяет 0,340 - 0,580 м 3 биогаза. Значит, 1 килограмм свежего свиного навоза выделяет 0,068-0,116 м 3 биогаза.

Примерные значения

Если известен вес суточного свежего навоза, то суточный выход биогаза будет примерно следующим:

1 тонна навоза КРС - 40-50 м 3 биогаза;
1 тонна свиного навоза - 70-80 м 3 биогаза;
1 тонна птичьего помета - 60 -70 м 3 биогаза. Нужно помнить, что примерные значения приводятся для готового сырья влажностью 85% - 92%.

Вес биогаза

Объемный вес биогаза составляет 1,2 кг на 1 м 3 , поэтому при подсчете количества получаемых удобрений необходимо вычитать его из количества перерабатываемого сырья.

Для среднесуточной загрузки 55 кг сырья и дневном выходе биогаза 2,2 - 2.7 м 3 на голову КРС масса сырья уменьшится на 4 - 5% в процессе переработки его в биогазовой установке.

Оптимизация процесса получения биогаза

Кислотообразующие и метанобразующие бактерии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. В пищеварительной системе крупного рогатого скота содержится полный набор микроорганизмов, необходимых для сбраживания навоза. Поэтому навоз КРС часто применяют в качестве сырья, загружаемого в новый реактор. Для начала процесса сбраживания достаточно обеспечить следующие условия:

Поддержка анаэробных условий в реакторе

Жизнедеятельность метанообразующих бактерий возможна только при отсутствии кислорода в реакторе биогазовой установки, поэтому нужно следить за герметичностью реактора и отсутствием доступа в реактор кислорода.

Соблюдение температурного режима

Поддержка оптимальной температуры является одним из важнейших факторов процесса сбраживания. В природных условиях образование биогаза происходит при температурах от 0°С до 97°С, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют три температурных режима:

Психофильный температурный режим определяется температурами до 20 - 25°С,
мезофильный температурный режим определяется температурами от 25°С до 40°С и
термофильный температурный режим определяется температурами свыше 40°С.

Степень бактериологического производства метана увеличивается с увеличением температуры. Но, так как количество свободного аммиака тоже увеличивается с ростом температуры, процесс сбраживания может замедлиться. Биогазовые установки без подогрева реактора демонстрируют удовлетворительную производительность только при среднегодовой температуре около 20°С или выше или когда средняя дневная температура достигает по меньшей мере 18°С. При средних температурах в 20-28°С производство газа непропорционально увеличивается. Если же температура биомассы менее 15°С, выход газа будет так низок, что биогазовая установка без теплоизоляции и подогрева перестает быть экономически выгодной.

Сведения относительно оптимального температурного режима различны для разных видов сырья. Для биогазовых установок работающих на смешанном навозе КРС, свиней и птиц, оптимальной температурой для мезофильного температурного режима является 34 - 37°С, а для термофильного 52 - 54°С. Психофильный температурный режим соблюдается в установках без подогрева, в которых отсутствует контроль за температурой. Наиболее интенсивное выделение биогаза в психофильном режиме происходит при 23°С.

Процесс биометанации очень чувствителен к изменениям температуры. Степень этой чувствительности в свою очередь зависит от температурных рамок, в которых происходит переработка сырья. При процессе ферментации могут быть допустимы изменения температуры в пределах:

психофильный температурный режим: ± 2°С в час;
мезофильный температурный режим: ± 1°С в час;
термофильный температурный режим: ± 0,5°С в час.

На практике более распространены два температурных режима, это термофильный и мезофильный. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Преимущества термофильного процесса сбраживания это повышенная скорость разложения сырья, и следовательно более высокий выход биогаза, а также практически полное уничтожение болезнетворных бактерий, содержащихся в сырье. К недостаткам термофильного разложения можно отнести; большое количество энергии, требуемое на подогрев сырья в реакторе, чувствительность процесса сбраживания к минимальным изменениям температуры и несколько более низкое качество получаемых биоудобрений .

При мезофильном режиме сбраживания сохраняется высокий аминокислотный состав биоудобрений, но обеззараживание сырья не такое полное, как при термофильном режиме.

Доступность питательных веществ

Для роста и жизнедеятельности метановых бактерий (с помощью которых производится биогаз) необходимо наличие в сырье органических и минеральных питательных веществ. В дополнение к углероду и водороду создание биоудобрений требует достаточного количество азота, серы, фосфора, калия, кальция и магния и некоторого количества микроэлементов - железа, марганца, молибдена, цинка, кобальта, селена, вольфрама, никеля и других. Обычное органическое сырье - навоз животных - содержит достаточное количество вышеупомянутых элементов.

Время сбраживания

Оптимальное время сбраживания зависит от дозы загрузки реактора и температуры процесса сбраживания. Если время сбраживания выбрано слишком коротким, то при выгрузке сброженной биомассы бактерии из реактора вымываются быстрее, чем могут размножаться, и процесс ферментации практически останавливается. Слишком продолжительное выдерживание сырья в реакторе не отвечает задачам получения наибольшего количества биогаза и биоудобрений за определенный промежуток времени.

При определении оптимальной продолжительности сбраживания пользуются термином "время оборота реактора". Время оборота реактора - это то время, в течение которого свежее сырье, загруженное в реактор, перерабатывается, и его выгружают из реактора.

Для систем с непрерывной загрузкой среднее время сбраживания определяется отношением объема реактора к ежедневному объему загружаемого сырья. На практике время оборота реактора выбирают в зависимости от температуры сбраживания и состава сырья в следующих интервалах:

Психофильный температурный режим: от 30 до 40 и более суток;
мезофильный температурный режим: от 10 до 20 суток;
термофильный температурный режим: от 5 до 10 суток.

Суточная доза загрузки сырья определяется временем оборота реактора и увеличивается (как и выход биогаза) с увеличением температуры в реакторе. Если время оборота реактора составляет 10 суток: то суточная доля загрузки будет составлять 1/10 от общего объема загружаемого сырья. Если время оборота реактора составляет 20 суток, то суточная доля загрузки будет составлять 1/20 от общего объема загружаемого сырья. Для установок, работающих в термофильном режиме, доля загрузки может составить до 1/5 от общего объема загрузки реактора.

Выбор времени сбраживания зависит также и от типа перерабатываемого сырья. Для следующих видов сырья, перерабатываемого в условиях мезофильного температурного режима, время, за которое выделяется наибольшая часть биогаза, равно примерно:

Жидкий навоз КРС: 10 -15 дней;

жидкий свиной навоз: 9 -12 дней;
жидкий куриный помет: 10-15 дней;
навоз, смешанный с растительными отходами: 40-80 дней.

Кислотно-щелочной баланс

Метанопродуцирующие бактерии лучше всего приспособлены для существования в нейтральных или слегка щелочных условиях. В процессе метанового брожения второй этап производства биогаза является фазой активного действия кислотных бактерий. В это время уровень рН снижается, то есть среда становится более кислой.

Однако при нормальном ходе процесса жизнедеятельность разных групп бактерий в реакторе проходит одинаково эффективно и кислоты перерабатываются метановыми бактериями. Оптимальное значение pH колеблется в зависимости от сырья от 6,5 да 8,5.

Измерить уровень кислотно-щелочного баланса можно с помощью лакмусовой бумаги. Значения кислотно-щелочного баланса будут соответствовать цвету: приобретаемому бумагой при её погружении в сбраживаемое сырье.

Содержание углерода и азота

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на метановое брожение (выделение биогаза), является соотношение углерода и азота в перерабатываемом сырье. Если соотношение C/N чрезмерно велико, то недостаток азота будет служить фактором, ограничивающим процесс метанового брожения. Если же это соотношение слишком мало, то образуется такое большое количество аммиака, что он становится токсичным для бактерий.

Микроорганизмы нуждаются как в азоте, так и в углероде для ассимиляции в их клеточную структуру. Различные эксперименты показали: выход биогаза наибольший при уровне соотношения углерода и азота от 10 до 20, где оптимум колеблется в зависимости от типа сырья. Для достижения высокой продукции биогаза практикуется смешивание сырья для достижения оптимального соотношения C/N.

Биоферментируемый материал	Азот N(%)	Соотношение углерода и азота C/N
А. Навоз животных
КРС	1,7 - 1,8	16,6 - 25
Куриный	3,7 - 6,3	7,3 - 9,65
Конский	2,3	25
Свиной	3,8	6,2 - 12,5
Овечий	3,8	33
B. Растительные сухие отходы
Кукурузные початки	1,2	56,6
Солома зерновых	1	49,9
Пшеничная солома	0,5	100 - 150
Кукурузная солома	0,8	50
Овсяная солома	1,1	50
Соя	1,3	33
Люцерна	2,8	16,6 - 17
Свекольный жом	0,3 - 0,4	140 - 150
С. Другое
Трава	4	12
Опилки	0,1	200 - 500
Опавшая листва	1	50

Выбор влажности сырья

Беспрепятственный обмен веществ в сырье является предпосылкой для высокой активности бактерий. Это возможно только в том случае, когда вязкость сырья допускает свободное движение бактерий и газовых пузырьков между жидкостью и содержащимися в ней твердыми веществами. В отходах сельскохозяйственного производства имеются разные твердые частицы.

Твердые частицы, например, песок, глина и др. обуславливают образование осадка. Более легкие материалы поднимаются на поверхность сырья и образуют корку. Это приводит к уменьшению ообразования биогаза. Поэтому рекомендуется тщательно измельчать перед загрузкой в реактор растительные остатки - солому: и др. , и стремиться к отсутствию твердых веществ в сырье.

Виды животных	Среднесут. кол-во навоза, кг/сутки	Влажность навоза (%)	Среднесут. кол-тво экскрементов (кг/сутки)	Влажность экскрементов (%)
КРС	36	65	55	86
Свиньи	4	65	5,1	86
Птица	0,16	75	0,17	75

Количество и влажность навоза и экскрементов на одно животное

Влажность сырья, загружаемого в реактор установки, должна быть не менее 85% в зимнее время и 92% в летнее время года. Для достижения правильной влажности сырья навоз обычно разбавляют горячей водой в количестве, определяемом по формуле: OB = Нx((В 2 - В 1):(100 - В 2)), где Н-количество загружаемого навоза. В 1 - первоначальная влажность навоза, В 2 - необходимая влажность сырья, ОВ - количество воды в литрах. В таблице приводится необходимое количество воды для разбавления 100 кг навоза до 85% и 92% влажности.

Количество воды для достижения необходимой влажности на 100 кг навоза

Регулярное перемешивание

Для эффективной работы биогазовой установки и поддерживания стабильности процесса сбраживания сырья внутри реактора необходимо периодическое перемешивание. Главными целями перемешивания являются:

Высвобождение произведенного биогаза;
перемешивание свежего субстрата и популяции бактерий (прививка):
предотвращение формирования корки и осадка;
предотвращение участков разной температуры внутри реактора;
обеспечение равномерного распределения популяции бактерий:
предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь реактора.

При выборе подходящего способа и метода перемешивания нужно учитывать, что процесс сбраживания представляет собой симбиоз между различными штаммами бактерий, то есть бактерии одного вида могут питать другой вид. Когда сообщество разбивается, процесс ферментации будет непродуктивным до того, как образуется новое сообщество бактерий. Поэтому слишком частое или продолжительное и интенсивное перемешивание вредно. Рекомендуется медленно перемешивать сырье через каждые 4-6 часов.

Ингибиторы процесса

Сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов, они замедляют а иногда и прекращают процесс выделения биогаза. Не способствуют "работе" микроорганизмов и некоторые неорганические вещества, поэтому нельзя, например, использовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стирки белья синтетическими моющими средствами.

На каждый из различных типов бактерий, участвующих в трех стадиях метанообразования, эти параметры влияют по-разному. Существует также тесная взаимозависимость между параметрами (например, выбор времени сбраживания зависит от температурного режима), поэтому сложно определить точное влияние каждого фактора на количество образующегося биогаза.

В этой статье: история применения биогаза; состав биогаза; как повысить содержание метана в биогазе; температурные режимы при получении биогаза из органического субстрата; типы биогазовых установок; форма и место размещения биореактора, а также ряд других важных моментов в создании биореакторной установки своими руками.

Среди важных составляющих нашей жизни большое значение имеют энергоносители, цены на которые растут чуть ли не каждый месяц. Каждый зимний сезон пробивает брешь в семейных бюджетах, заставляя нести расходы на отопление, а значит, на топливо для отопительных котлов и печей. А как быть, ведь электроэнергия, газ, уголь или дрова стоят денег, и чем более удалены наши жилища от крупных энергетических магистралей, тем дороже обойдётся их обогрев. Между тем альтернативное отопление, независимое от каких-либо поставщиков и тарифов, можно построить на биогазе, добыча которого не требует ни геологоразведки, ни бурения скважин, ни дорогостоящего насосного оборудования.

Биогаз можно получить практически в домашних условиях, понеся при этом минимальные, быстро окупаемые затраты — много информации по этому вопросу вы найдёте в нашей статье.

Отопление биогазом — история

Интерес к горючему газу, образующемуся на болотах в тёплый сезон года, возник ещё у наших далеких предков — передовые культуры Индии, Китая, Персии и Ассирии экспериментировали с биогазом свыше 3 тысячелетий назад. В те же древние времена в родоплеменной Европе швабы-алеманны заметили, что выделяемый на болотах газ отлично горит — они использовали его в отоплении своих хижин, подводя к ним газ по кожаным трубам и сжигая в очагах. Швабы считали биогаз «дыханием драконов», которые, по их мнению, жили в болотах.

Спустя века и тысячелетия, биогаз пережил второе своё открытие — в 17-18 веках сразу два европейских учёных обратили на него внимание. Известный химик своего времени Ян Баптиста ван Гельмонт установил, что при разложении любой биомассы образуется горючий газ, а прославленный физик и химик Алессандро Вольта установил прямую зависимость между количеством биомассы, в которой идут процессы разложения, и количеством выделяемого биогаза. В 1804 году английский химик Джон Дальтон открыл формулу метана, а четырьмя годами позже англичанин Гемфри Дэви обнаружил его в составе болотного газа.

Слева: Ян Баптиста ван Гельмонт. Справа: Алессандро Вольта

Интерес к практическому применению биогаза возник с развитием газового освещения улиц — в конце 19-го века улицы одного района английского города Эксетера освещались газом, полученным из коллектора со сточными водами.

В 20-м веке потребность в энергоносителях, вызванная Второй мировой войной, вынудила европейцев искать альтернативные источники энергии. Биогазовые установки, в которых газ вырабатывался из навоза, распространились в Германии и Франции, частично в Восточной Европе. Однако после победы стран антигитлеровской коалиции о биогазе забыли — электроэнергия, природный газ и нефтепродукты полностью покрыли потребности производств и населения.

В СССР технология получения биогаза рассматривалась в основном с академической точки зрения и не считалась сколько-нибудь востребованной.

Сегодня отношение к альтернативным источникам энергии резко изменилось — они стали интересны, поскольку стоимость привычных энергоносителей возрастает год от года. По своей сути биогаз — реальный способ уйти от тарифов и расходов на классические энергоносители, получить свой собственный источник топлива, причём на любые цели и в достаточном количестве.

Наибольшее количество биогазовых установок создано и эксплуатируется в Китае: 40 миллионов установок средней и малой мощности, объём производимого метана — около 27 млрд м 3 за год.

Биогаз — что это

Это газовая смесь, состоящая в основном из метана (содержание от 50 до 85%), углекислого газа (содержание от 15 до 50%) и прочих газов в гораздо меньшем процентном содержании. Биогаз производит команда из трёх видов бактерий, питающихся биомассой — гидролизные бактерии, производящие пищу для кислотообразующих бактерий, которые в свою очередь снабжают пищей метанобразующие бактерии, формирующие биогаз.

Ферментация исходного органического материала (к примеру, навоза), продуктом которой и будет биогаз, проходит без доступа внешней атмосферы и называется анаэробной. Другой продукт такой ферментации, называемый компостным перегноем, хорошо известен сельским жителям, применяющим его для удобрения полей и огородов, а вот производимые в компостных кучах биогаз и тепловая энергия обычно не используются — и напрасно!

От каких факторов зависит выход биогаза с более высоким содержанием метана

Прежде всего — от температуры. Активность бактерий, ферментирующих органику, тем выше, чем выше температура окружающей их среды, при минусовых температурах ферментация замедляется или прекращается полностью. По этой причине выработка биогаза более всего распространена в странах Африки и Азии, расположенных субтропиках и тропиках. В климате России получение биогаза и полный переход на него, как на альтернативное топливо, потребует теплоизоляции биореактора и введение тёплой воды в массу органики, когда температура внешней атмосферы опускается ниже нулевой отметки.

Органический материал, закладываемый в биореактор, должен быть биологически разлагаемым, требуется вводить в него значительное количество воды — до 90% от массы органики. Важным моментом будет нейтральность органической среды, отсутствие в её составе компонентов, препятствующих развитию бактерий, вроде чистящих и моющих веществ, любых антибиотиков. Биогаз можно получить практически из любых отходов хозяйственного и растительного происхождения, сточных вод, навоза и т. д.

Процесс анаэробной ферментации органики лучше всего проходит, когда значение pH находится в диапазоне 6,8-8,0 — большая кислотность замедлит формирование биогаза, т. к. бактерии будут заняты потреблением кислот и производством углекислого газа, нейтрализующего кислотность.

Соотношение азота и углерода в биореакторе необходимо рассчитать, как 1 к 30 — в этом случае бактерии получат необходимое им количество углекислого газа, а содержание метана в биогаза будет наивысшим.

Лучший выход биогаза с достаточно высоким содержанием метана достигается, если температура в ферментируемой органике находится в диапазоне 32-35 °С, при более низких и более высоких значениях в биогазе увеличивается содержание двуокиси углерода, его качество падает. Бактерии, производящие метан, подразделяются на три группы: психрофильные, эффективны при температурах от +5 до +20 °С; мезофильные, их температурный режим от +30 до +42 °С; термофильные, работающие в режиме от +54 до +56 °С. Для потребителя биогаза наибольший интерес представляют мезофильные и термофильные бактерии, ферментирующие органику при большем выходе газа.

Мезофильная ферментация менее чувствительная к изменениям температурного режима на пару градусов от оптимального диапазона температур, требует меньших затрат энергии на обогрев органического материала в биореакторе. Её минусы, по сравнению с термофильной ферментацией, в меньшем выходе газа, большем сроке полной переработки органического субстрата (около 25 дней), разложенный в результате органический материал может содержать вредоносную флору, т. к. невысокая температура в биореакторе не обеспечивает 100% стерильности.

Подъём и поддержание внутриреакторной температуры на уровне, приемлемом для термофильных бактерий, обеспечит наибольший выход биогаза, полная ферментация органики пройдёт за 12 дней, продукты разложения органического субстрата полностью стерильны. Отрицательные характеристики: выход за пределы приемлемого для термофильных бактерий диапазона температур на 2 градуса понизит выход газа; высокая потребность в обогреве, как следствие — значительные затраты энергоносителей.

Содержимое биореактора необходимо промешивать с периодичностью 2 раза за день, иначе на его поверхности образуется корка, создающая преграду для биогаза. Помимо её устранения промешивание позволяет выровнять температуру и уровень кислотности внутри органической массы.

В биореакторах непрерывного цикла наибольший выход биогаза происходит при одновременной выгрузке органики, прошедшей ферментацию, и загрузке новой органики в количестве, равном выгружаемому объёму. В небольших биореакторах, что обычно используют в дачных хозяйствах, каждые сутки необходимо извлекать и вносить органику в объёме, примерно равном 5% от внутреннего объёма камеры ферментации.

Выход биогаза напрямую зависит от типа органического субстрата, закладываемого в биореактор (ниже приведены средние данные на кг веса сухого субстрата):

• навоз конский даёт 0,27 м 3 биогаза, содержание метана 57%;
• навоз КРС (крупного рогатого скота) даёт 0,3 м 3 биогаза, содержание метана 65%;
• свежий навоз КРС даёт 0,05 м 3 биогаза с 68% содержанием метана;
• куриный помёт — 0,5 м 3 , содержание метана в нём составит 60%;
• свиной навоз — 0,57 м 3 , доля метана составит 70%;
• овечий навоз — 0,6 м 3 с содержанием метана 70%;
• солома пшеницы — 0,27 м 3 , с 58% содержанием метана;
• солома кукурузы — 0,45 м 3 , содержание метана 58%;
• трава — 0,55 м 3 , с 70% содержанием метана;
• древесная листва — 0,27 м 3 , доля метана 58%;
• жир — 1,3 м 3 , содержание метана 88%.

Биогазовые установки

Эти устройства состоят из следующих основных элементов — реактор, бункер загрузки органики, отвод биогаза, бункер выгрузки ферментированной органики.

По типу конструкции биогазовые установки бывают следующих типов:

• без обогрева и без промешивания ферментируемой органики в реакторе;
• без обогрева, но с промешиванием органической массы;
• с обогревом и промешиванием;
• с обогревом, промешиванием и приборам, позволяющими контролировать и управлять процессом ферментации.

Биогазовая установка первого типа подходит для небольшого хозяйства и рассчитана на психрофильные бактерии: внутренний объём биореактора 1-10 м 3 (переработка 50-200 кг навоза за сутки), минимальная комплектация, полученный биогаз не хранится — сразу поступает к потребляющим его бытовым приборам. Такую установку можно использовать только в южных районах, она рассчитана на внутреннюю температуру 5-20 °С. Удаление ферментированной органики производится одновременно с загрузкой новой партии, отгрузка выполняется в ёмкость, объём которой должен быть равным или больше внутреннего объёма биореактора. Содержимое ёмкости храниться в ней до введения в удобряемую почву.

Конструкция второго типа также рассчитана на небольшое хозяйство, её производительность несколько выше биогазовых установок первого типа — в оснащение входит перемешивающее устройство с ручным или механическим приводом.

Третий тип биогазовых установок оснащён помимо промешивающего устройства принудительным обогревом биореактора, водогрейный котёл при этом работает на альтернативном топливе, производимом биогазовой установкой. Выработкой метана в таких установках занимаются мезофильные и термофильные бактерии, в зависимости от интенсивности обогрева и уровня температуры в реакторе.

Принципиальная схема биогазовой установки: 1 — подогрев субстрата; 2 — заливная горловина; 3 — ёмкость биореактора; 4 — ручная мешалка; 5 — ёмкость для сборки конденсата; 6 — газовый клапан; 7 — резервуар для переработанной массы; 8 — предохранительный клапан; 9 — фильтр; 10 — газовый котёл; 11 — газовый вентиль; 12 — газовые потребители; 13 — гидрозатвор

Последний тип биогазовых установок наиболее сложен и рассчитан на нескольких потребителей биогаза, в конструкцию установок вводятся электроконтактный манометр, предохранительный клапан, водогрейный котёл, компрессор (пневматическое промешивание органики), ресивер, газгольдер, газовый редуктор, отвод для загрузки биогаза в транспорт. Эти установки работают непрерывно, допускают установку любого из трёх температурных режимов благодаря точно настраиваемому обогреву, отбор биогаза выполняется в автоматическом режиме.

Биогазовая установка своими руками

Теплотворность биогаза, произведённого в биогазовых установках, примерно равна 5 500 ккал/м 3 , что немногим ниже калорийности природного газа (7 000 ккал/м 3). Для отопления 50 м 2 жилого дома и использования газовой плиты с четырьмя конфорками в течение часа потребуется в среднем 4 м 3 биогаза.

Предлагаемые на рынке России промышленные установки по производству биогаза стоят от 200 000 руб. — при их внешне высокой стоимости стоит отметить, что эти установки точно рассчитаны по объёму загружаемого органического субстрата и на них распространяются гарантии производителей.

Если же вы хотите создать биогазовую установку самостоятельно, то дальнейшая информация — для вас!

Форма биореактора

Наилучшая форма для него будет овальной (яйцеобразной), однако соорудить такой реактор крайне сложно. Более лёгким для конструирования будет биореактор цилиндрической формы, верхняя и нижняя части которого выполнены в виде конуса или полукруга. Реакторы квадратной или прямоугольной формы из кирпича или бетона будут малоэффективны, т. к. по углам в них со временем образуются трещины, вызванные давлением субстрата, в них также будут накапливаться затвердевшие фрагменты органики, мешающие процессу ферментации.

Стальные ёмкости биореакторов герметичны, устойчивы к высокому давлению, их не так сложно построить. Их минус — в слабой устойчивости к ржавчине, требуется нанесение на внутренние стенки защитного покрытия, к примеру, смолы. Снаружи поверхности стального биореактора необходимо тщательно зачистить и окрасить в два слоя.

Ёмкости биореакторов из бетона, кирпича или камня необходимо самым тщательным образом покрыть изнутри слоем смолы, способным обеспечить их эффективную водо- и газонепроницаемость, выдерживать температуру порядка 60 °С, агрессию сероводорода и органических кислот. Помимо смолы для защиты внутренних поверхностей реактора можно использовать парафин, разбавленный 4% моторного масла (нового) или керосина и разогретый до 120-150 °С — поверхности биореактора перед нанесением на них парафинового слоя необходимо прогреть горелкой.

При создании биореактора можно воспользоваться не подверженными ржавчине ёмкостями из пластика, но только из жёсткого с достаточно прочными стенками. Мягкий пластик можно использовать только в тёплый сезон, т. к. с наступлением холодов на нём будет сложно закрепить утеплитель, к тому же стенки его недостаточно прочны. Пластиковые биореакторы можно применять только для психрофильной ферментации органики.

Место размещения биореактора

Его размещение планируют в зависимости от свободного места на участке, удалённости от жилых построек, места размещения отходов и животных и т. д. Планирование наземного, полностью или частично погруженного в землю биореактора зависит от уровня грунтовых вод , удобства ввода и вывода органического субстрата в ёмкость реактора. Оптимальным будет размещение корпуса реактора ниже уровня земли — достигается экономия на оборудовании для введения органического субстрата, существенно повышается теплоизоляция, для обеспечения которой можно применить недорогие материалы (солому, глину).

Оснащение биореактора

Ёмкость реактора требуется оборудовать люком, с помощью которого можно выполнять ремонтные и профилактические работы. Между корпусом биореактора и крышкой люка необходимо проложить резиновую прокладку или слой герметика. Необязательным, но крайне удобным будет оснащение биореактора датчиком температуры, внутреннего давления и уровня органического субстрата.

Теплоизоляция биореактора

Её отсутствие не позволит эксплуатировать биогазовую установку круглый год, лишь в тёплое время. Для утепления заглубленного или полузаглубленного биореактора используется глина, солома, сухой навоз и шлак. Укладка утеплителя выполняется слоями — при установке заглубленного реактора котлован перекрывается слоем ПВХ-плёнки, препятствующей прямому контакту теплоизоляционного материала с почвой. До установки биореактора на дно котлована насыпается солома, поверх неё слой глины, затем выставляется биореактор. После этого все свободные участки между ёмкостью реактора и проложенным ПВХ-плёнкой котлованом засыпаются соломой практически до торца ёмкости, сверху засыпается 300 мм слой глины вперемешку со шлаком.

Загрузка и выгрузка органического субстрата

Диаметр труб загрузки в биореактор и выгрузки из него должен быть не меньше 300 мм, иначе они забьются. Каждую из них в целях сохранениях анаэробных условий внутри реактора следует оснастить винтовыми или полуоборотными задвижками. Объём бункера для подачи органики, в зависимости от типа биогазовой установки, должен быть равным суточному объёму вводимого сырья. Бункер подачи следует расположить на солнечной стороне биореактора, т. к. это будет способствовать повышению температуры во вводимом органическом субстрате, ускоряя процессы ферментации. Если же биогазовая установка связана непосредственно с фермой, то бункер следует разместить под её строением так, чтобы органический субстрат поступал в него под действием сил гравитации.

Трубопроводы загрузки и выгрузки органического субстрата следует расположить по противоположным сторонам биореактора — в этом случае вводимое сырьё будет распределено равномерно, а ферментированная органика будет легко извлекаться под воздействием гравитационных сил и массы свежего субстрата. Отверстия и монтаж трубопровода под загрузку и выгрузку органики следует выполнить до монтажа биореактора на место установки и до размещения на нём слоёв теплоизоляции. Герметичность внутреннего объёма биореактора достигается тем, что вводы труб расположены под острым углом, при этом уровень жидкости внутри реактора выше точек ввода труб — гидравлический затвор блокирует доступ воздуха.

Ввод нового и вывод прошедшего ферментацию органического материала проще всего проводить по принципу перелива, т. е. подъём уровня органики внутри реактора при вводе новой порции выведет через трубу выгрузки субстрат в объёме, равном объёму вводимого материала.

Если необходима быстрая загрузка органики, а эффективность ввода материала самотёком низка из-за недостатков рельефа, потребуется установка насосов. Способов два: сухой, при котором насос устанавливается внутрь загрузочной трубы и органика, поступая к насосу по вертикальной трубе, прокачивается им; влажный, при котором насос установлен в бункер загрузки, его привод осуществляется мотором, также установленным в бункер (в непроницаемом корпусе) либо через вал, мотор при этом установлен вне бункера.

Как собирать биогаз

Эта система включает в себя газовый трубопровод, распределяющий газ по потребителям, запорную арматуру, ёмкости для сбора конденсата, предохранительный клапан, ресивер, компрессор, газовый фильтр, газгольдер и приборы потребления газа. Монтаж системы выполняется лишь после полной установки биореактора в месте размещения.

Вывод для сбора биогаза выполняется в наиболее высшей точке реактора, к нему последовательно подключаются: герметичная ёмкость для сбора конденсата; предохранительный клапан и водяной затвор — ёмкость с водой, ввод газопровода в которую выполнен ниже уровня воды, вывод — выше (трубу газопровода перед водяным затвором следует изогнуть, чтобы вода не проникала в реактор), который не позволит двигаться газу в обратном направлении.

Образованный в ходе ферментации органического субстрата биогаз содержит в себе значительное количество паров воды, образующих конденсат по стенкам газопровода и в некоторых случаях блокирующих поступление газа к потребителям. Поскольку сложно выстроить газопровод таким образом, чтобы по всей его длине существовал уклон по направлению к реактору, куда бы стекал конденсат, то в каждом его низком участке требуется установить водяные затворы в виде ёмкостей с водой. Во время работы биогазовой установки периодически требуется удалять из них часть воды, иначе её уровень полностью перекроет поступление газа.

Газопровод должен быть построен трубами одного диаметра и одного типа, все клапаны и элементы системы также должны иметь один и тот же диаметр. Стальные трубы диаметром от 12 до 18 мм применимы для биогазовых установок малой и средней мощности, расход биогаза, поступающего по трубам этих диаметров, не должен быть выше 1 м 3 /ч (при расходе 0,5 м 3 /ч не допускается использование труб диаметром 12 мм на длину свыше 60 м). Это же условие действует при использовании в газопроводе пластиковых труб, кроме того, эти трубы необходимо закладывать ниже уровня земли на 250 мм, т. к. их пластик чувствителен к солнечному свету и теряет под воздействием солнечной радиации прочность.

При прокладке газопровода требуется самым тщательным образом убедиться в отсутствии протечек и газонепроницаемости мест соединений — проверка выполняется мыльным раствором.

Газовый фильтр

В биогазе содержится небольшое количество сероводорода, соединение которого с водой создаёт кислоту, активно коррозирующую металл — по этой причине нефильтрованный биогаз нельзя использовать для двигателей внутреннего сгорания. Между тем удалить сероводород из газа можно простым фильтром — 300 мм отрезком газовой трубы, наполненным сухой смесью металлической и деревянной стружки. Через каждый 2 000 м 3 биогаза, пройдённого через такой фильтр, необходимо извлечь его содержимое и выдержать около часа на отрытом воздухе — стружка будет полностью очищена от серы и её можно использовать повторно.

Запорная арматура и клапаны

В непосредственной близости от биореактора устанавливается основной газовый клапан, в магистраль газопровода следует врезать клапан, сбрасывающий биогаз при давлении более 0,5 кг/см 2 . Лучшими кранами для газовой системы будут шаровые клапаны с хромированным покрытием, использовать краны, предназначенные для водопроводных систем, в газовой нельзя. На каждом из потребителей газа установка шарового крана обязательна.

Механическое перемешивание

Для биореакторов небольшого объёма мешалки с ручным приводом подойдут лучше всего — они просты по своей конструкции и не требуют каких-то особых условий в процессе эксплуатации. Мешалка с механическим приводом устроена так — горизонтальный или вертикальный вал, размещённый внутри реактора по его центральной оси, на нём закреплены лопасти, при вращении перемещающие массы органики, богатую бактериями, от участка выгрузки ферментированного субстрата к месту загрузки свежей порции. Будьте внимательны — мешалка должна вращаться только в направлении промешивания от участка выгрузки к участку загрузки, перемещение метанообразующих бактерий от созревшего субстрата к вновь поступившему ускорит созревание органики и выработку биогаза с высоким содержанием метана.

Как часто следует промешивать органический субстрат в биореакторе? Необходимо определить периодичность путём наблюдения, ориентируясь на выход биогаза — излишне частое промешивание нарушит ферментацию, т. к. помешает деятельности бактерий, кроме того, вызовет вывод непереработанной органики. В среднем промежуток времени между перемешиваниями должен составлять от 4-х до 6-ти часов.

Обогрев органического субстрата в биореакторе

Без обогрева реактор может вырабатывать биогаз только в психрофильном режиме, в результате количество вырабатываемого газа будет меньше, а качество удобрений хуже, чем при более высокотемпературных мезофильном и термофильном рабочих режимах. Нагрев субстрата может производиться двумя способами: подогрев паром; соединение органики с горячей водой или подогрев с помощью теплообменника, в котором циркулирует горячая вода (без смешивания с органическим материалом).

Серьёзный недостаток подогрева паром (прямого подогрева) заключается в потребности включения в биогазовую установку системы парогенерации, включающую в себя систему очистки воды от присутствующей в ней соли. Парогенерационная установка выгодна только для действительно больших установок, перерабатывающих большие объёмы субстрата, к примеру, сточные воды. Кроме того, нагрев паром не позволит точно контролировать температуру нагрева органики, в результате возможен её перегрев.

Теплообменики, размещённые внутри или снаружи биореакторной установки, производят непрямой подогрев органики внутри реактора. Сразу стоит отбросить вариант с обогревом через пол (фундамент), т. к. скопление твёрдого осадка на дне биореактора ему препятствует. Наилучшим вариантом будет ввод теплообменника внутрь реактора, однако образующий его материал должен быть достаточно прочным и успешно выдерживать напор органики при её промешивании. Теплообменник большей площади лучше и однороднее обогреет органику, улучшая тем самым ферментационный процесс. Внешний обогрев, при его меньшей эффективности из-за теплопотери стенок, привлекателен тем, что ничто внутри биореактора не помешает движению субстрата.

Оптимальная температура в теплообменнике должна быть порядка 60 °С, сами теплообменники выполняются в виде радиаторных секций, змеевиков, параллельно сваренных труб. Поддержание температуры теплоносителя на уровне 60 °С снизит угрозу налипания на стенки теплообменника частиц взвесей, скопление которых существенно снизит теплопередачу. Оптимальное место размещения теплообменника — вблизи промешивающих лопастей, в этом случае угроза осаждения частиц органики на его поверхности минимальна.

Отопительный трубопровод биореактора выполняется и оснащается аналогично обычной системе отопления, т. е. должны соблюдаться условия возврата охлаждённой воды в наиболее низкую точку системы, требуются вентили спуска воздуха в её верхних точках. Контроль температуры органической массы внутри биореактора выполняется термометром, которым реактор следует оснастить.

Газгольдеры для сбора биогаза

При постоянном потреблении газа потребность в них отпадает, разве что они могут использоваться для выравнивания давления газа, что существенно улучшит процесс горения. Для биореакторных установок небольшой производительности на роль газгольдеров подойдут автомобильные камеры большого объёма, которые можно соединить между собой параллельно.

Более серьёзные газгольдеры, стальные или пластиковые, подбираются под конкретную биореакторную установку — в лучшем варианте газгольдер должен вмещать в себя объём биогаза суточной выработки. Требуемая ёмкость газгольдера зависит от его типа и давления, на которое он рассчитан, как правило, его объём 1/5...1/3 от внутреннего объёма биореактора.

Стальной газгольдер. Существуют три типа газгольдеров из стали: низкого давления, от 0,01 до 0,05 кг/см 2 ; среднего, от 8 до 10 кг/см 2 ; высокого, до 200 кг/см 2 . Стальные газгольдеры низкого давления использовать нецелесообразно, лучше заменить их пластиковыми газгольдерами — они дороги и применимы только при значительной дистанции между биогазовой установкой и приборами-потребителями. Газгольдеры низкого давления применяются в основном для выравнивания разницы между суточным выходом биогаза и его фактическим потреблением.

В стальные газгольдеры среднего и высокого давления биогаз закачивается компрессором, они используются только на биореакторах средней и крупной мощности.

Газгольдеры необходимо оснастить следующими контрольно-измерительными приборами: предохранительным клапаном, водяным затвором, редуктором давлений и манометром. Газгольдеры из стали обязательно подлежат заземлению!

Видео по теме

Технология это не новая. Она начала развиваться еще в 18 веке, когда Ян Гельмонт – химик – обнаружил, что навоз выделяет газы, которые способны к воспламенению.

Его исследования продолжил Алессандро Вольта и Хэмфри Деви, которые нашли в газовой смеси метан. В конце 19 века в Англии биогаз из навоза использовали в уличных фонарях. В середина 20 столетия были обнаружены бактерии, которые производят метан и его предшественников.

Дело в том, что в навозе поочередно работают три группы микроорганизмов, которые питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих бактерий. Первыми начинают работу ацетогенные бактерии, которые растворяют углеводы, белки и жиры в навозной жиже.

После переработки анаэробными микроорганизмами питательного запаса образуется метан, вода и диоксид углерода. Из-за наличия воды биогаз на данной стадии не способен гореть – ему нужна очистка, поэтому его пропускают через очистные сооружения.

Что такое биометан

Газ, полученный в результате разложения навозной биомассы, является аналогом природного газа. Он почти в 2 раза легче воздуха, поэтому всегда поднимается вверх. Этим объясняется технология производства искусственным методом: вверху оставляют свободное пространство, чтобы вещество могло выделяться и накапливаться, откуда его потом выкачивают насосами для использования в собственных нуждах.

Метан сильно влияет на возникновение парникового эффекта – гораздо больше, чем углекислый газ – в 21 раз. Поэтому, технология переработки навоза – не только экономичный, но и экологичный способ утилизации отходов животноводства.

Биометан используют для следующих потребностей:

• приготовления пищи;

• в двигателях внутреннего сгорания автомобилей;

• для отопления частного дома.

Биогаз выделяет большое количество тепла. 1 кубический метр равноценен сгоранию 1,5 кг каменного угля.

Как получают биометан

Получить его можно не только из навоза, но и водорослей, растительной массы, жира и других животных отходов, остатков переработки сырья рыбных цехов. В зависимости от качества исходного материала, его энергетической емкости, зависит конечный выход газовой смеси.

Минимально получают от 50 кубометров газа с тонны навоза крупного рогатого скота. Максимально – 1 300 кубометров после переработки животного жира. Содержание метана при этом – до 90%.

Один из видов биологического газа – свалочный. Он образуется при разложении мусора на загородных свалках. На Западе уже есть оборудование, которое перерабатывает отходы населения и превращает их в топливо. Как вид бизнеса – это неограниченные ресурсы.

Под его сырьевую базу попадают:

• пищевая промышленность;

• животноводство;

• птицеводство;

• рыбный промысел и перерабатывающие комбинаты;

• молокозаводы;

• производство алкогольных и слабоалкогольных напитков.

Любая промышленность вынуждена утилизировать свои отходы – это дорого и нерентабельно. В домашних условиях при помощи небольшой самодельной установки можно решить сразу несколько проблем: бесплатное отопление дома, удобрение земельного участка высококачественным питательным веществом, оставшимся от переработки навоза, освобождение места и отсутствие запахов.

Технология получения биологического топлива

Все бактерии, которые принимают участие в образовании биогаза, являются анаэробными, то есть кислород для жизнедеятельности им не нужен. Для этого сооружают полностью герметичные емкости для брожения, отводные трубы которых также не пропускают воздух извне.

После заливки в резервуар сырьевой жидкости и повышения температуры до нужной величины бактерии начинают работу. Начинает выделяться метан, который поднимается с поверхности навозной жижи. Он направляется в специальные подушки или резервуары, после чего фильтруется и попадает в газовые баллоны.

Отработанная бактериями жидкость скапливается на дне, откуда ее периодически откачивают и также отправляют на хранение. После этого в резервуар закачивают новую порцию навоза.

Температурный режим функционирования бактерий

Для переработки навоза в биогаз необходимо создать подходящие условия для работы бактерий. некоторые из них активизируются при температуре выше 30 градусов – мезофильные. При этом процесс идет медленнее и первую продукцию можно получить через 2 недели.

Термофильные бактерии работают при температуре от 50 до 70 градусов. Сроки получения биогаза из навоза сокращаются до 3 дней. При этом отходы представляют собой ферментированный шлам, который используют на полях в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур. В шламе отсутствуют патогенные микроорганизмы, гельминты и сорняки, так как они погибают при воздействии высоких температур.

Есть особый вид термофильных бактерий, которые способны выжить в среде, нагретой до 90 градусов. Их добавляют в сырье, чтобы ускорить процесс брожения.

Понижение температуры ведет к снижению активности термофильных или мезофильных бактерий. В частных хозяйствах чаще используют мезофиллы, так как для них не нужно специально подогревать жидкость и производство газа обходится дешевле. Впоследствии, когда будет получена первая партия газа, его можно использовать для подогрева реактора с термофильными микроорганизмами.

Важно! Метаногены не переносят резких скачков температур, поэтому зимой их необходимо содержать в тепле постоянно

Как подготовить сырье для заливки в реактор

Для производства биогаза из навоза не нужно специально подсаживать микроорганизмы в жидкость, потому что они уже находятся в экскрементах животных. Нужно лишь поддерживать температурный режим и вовремя подливать новый раствор навоза. Его необходимо правильно готовить.

Влажность раствора должна быть 90% (консистенция жидкой сметаны), поэтому сухие виды экскрементов для начала заливаются водой – кроличий помет, конский, овечий, козий. Свиной навоз в чистом виде не нуждается в разбавлении, так как содержит много мочи.

Следующий этап – разбить твердые частицы навоза. Чем мельче будет фракция, тем лучше бактерии переработают смесь и тем больше газа получится на выходе. Для этого в установках применяют мешалку, постоянно работающую. Она снижает риск образования твердой корки на поверхности жидкости.

Для производства биогаза подходят те виды навоза, которые имеют самую высокую кислотность. Их еще называют холодными – свиной и коровий. Снижение кислотности приостанавливает деятельность микроорганизмов, поэтому необходимо следить в начале, сколько времени необходимо, чтобы они полностью переработали объем резервуара. Затем долить следующую дозу.

Технология очистки газа

При переработке навоза в биогаз получается:

• 70% метана;

• 30% углекислого газа;

• 1% примесей сероводорода и других летучих соединений.

Чтобы биогаз стал пригодным для использования в хозяйстве, его необходимо очистить от примесей. Чтобы удалить сероводород применяют специальные фильтры. Дело в том, что летучие сероводородные соединения, растворяясь в воде, образуют кислоту. Она способствует появлению ржавчины на стенках труб или резервуара, если они изготовлены из металла.

• Полученный газ сжимается под давлением 9 – 11 атмосфер.

• Подается в резервуар с водой, где примеси растворяются в жидкости.

В промышленных масштабах для очистки применяют известь или активированный уголь, а также специальные фильтры.

Как уменьшить содержание влаги

Самостоятельно избавиться от примесей воды в газе можно несколькими способами. Один из них – принцип самогонного аппарата. По холодной трубе газ направляется вверх. Жидкость при этом конденсируется и стекает вниз. Для этого трубу проводят под землей, где температура естественным образом снижается. По мере подъема, температура также поднимается, и осушенный газ попадает в хранилище.

Второй вариант – гидрозатвор. После выхода газ поступает в емкость с водой и там очищается от примесей. Такой метод называется одноэтапным, когда с помощью воды биогаз чистят сразу от всех летучих веществ и влаги.

Принцип гидрозатвора

Какие установки применяют для получения биогаза

Если установку планируется разместить вблизи фермы, то лучшим вариантом будет разборная конструкция, которую легко перевезти в другое место. Основной элемент установки – биореактор, в который заливается сырье и происходит процесс брожения. На крупных предприятиях используют цистерны объемом 50 кубических метров.

В частных хозяйствах строят подземные резервуары в качестве биореактора. Их выкладывают из кирпича в подготовленную яму и обмазывают цементом. Бетон повышает степень безопасности конструкции и препятствует попаданию воздуха. Объем зависит от того, сколько сырья в день получают с домашних животных.

Поверхностные системы также популярны в домашних условиях. При желании установку можно разобрать и перенести в другое место, в отличие от стационарного подземного реактора. В качестве цистерны используют пластиковые, металлические или поливинилхлоридные бочки.

По типу управления имеются:

• автоматические станции, в которых долив и откачка отработанного сырья осуществляется без участия человека;

• механические, где весь процесс контролируется вручную.

С помощью насоса можно облегчить освобождение резервуара, в который попадают отходы после брожения. Некоторые народные умельцы применяют насосы для откачки газа из подушек (например, автомобильных камер) в очистное сооружение.

Схема самодельной установки для получения биогаза из навоза

Перед сооружением биогазовой установки на своем участке необходимо ознакомиться с потенциальной опасностью, которая может взорвать реактор. Главное условие – отсутствие кислорода.

Метан – это взрывоопасный газ и он способен воспламеняться, но для этого его необходимо нагреть выше 500 градусов. Если биогаз смешается с воздухом, возникнет избыточное давление, которое разорвет реактор. Бетонный может треснуть и будет не пригоден для дальнейшего использования.

Видео: Биогаз из птичьего помета

Чтобы давление не сорвало крышку, применяют противовес, защитную прокладку между крышкой и резервуаром. Емкость заполняют не до конца – должно оставаться как минимум 10% объема для выхода газа. Лучше – 20%.

Итак, чтобы сделать у себя на участке биореактор со всеми приспособлениями, необходимо:

• Удачно выбрать место, чтобы оно находилось подальше от жилья (мало ли что).

• Рассчитать предположительное количество навоза, которое ежедневно выдают животные. Как считать – читать ниже.

• Определиться, где проложить загрузочную и отгрузочную трубу, а также трубу для конденсации влаги в полученном газе.

• Определиться с местом расположения резервуара для отходов (по умолчанию удобрения).

• Вырыть котлован, исходя из расчетов количества сырья.

• Выбрать емкость, которая будет служить резервуаром для навоза и установить ее в котлован. Если планируется бетонный реактор, тогда дно котлована заливается бетоном, стенки выкладываются кирпичом и штукатурятся бетонным раствором. После этого необходимо дать время просохнуть.

• Стыковки между реактором и трубами также герметизируются на этапе закладки резервуара.

• Обустроить люк для осмотра реактора. Между ним ставится герметичная прокладка.

Если климат холодный, то перед бетонированием или установкой пластикового резервуара продумывают способы его обогрева. Это могут быть нагревательные приборы или лента, используемая в технологии «теплый пол».

В конце работ проверить реактор на герметичность.

Расчет количества газа

Из одной тонны навоза можно получить примерно 100 кубических метров газа. Вопрос – сколько помета дают домашние животные в сутки:

• курица – 165 г в сутки;

• корова – 35 кг;

• коза – 1 кг;

• конь – 15 кг;

• овца – 1 кг;

• свинья – 5 кг.

Умножить эти показатели на количество голов и получится суточная доза экскрементов, подлежащих переработке.

Больше газа получают от коров и свиней. Если добавить в смесь такие энергетически мощные растения как кукуруза, свекольная ботва, просо, то количество биогаза увеличится. Большой потенциал у болотных растений и водорослей.

Самый высокий – у отходов мясоперабатывающих комбинатов. Если такие хозяйства есть поблизости, то можно скооперироваться и установить один реактор на всех. Сроки окупаемости биореактора 1 – 2 года.

Отходы биомассы после получения газа

После переработки навоза в реакторе побочным продуктом является биошлам. При анаэробной переработке отходов бактерии растворяют около 30% органического вещества. Остальное выделяется в неизменном виде.

Жидкая субстанция также является побочным продуктом метанового брожения и также используется в сельском хозяйстве для корневых подкормок.

Углекислый газ – ненужная фракция, которую производители биогаза стремятся удалить. Но если растворить ее в воде, то эта жидкость также может приносить пользу.

Полное использование продуктов биогазовой установки

Чтобы полностью утилизировать продукты, получаемые после переработки навоза, необходимо содержать теплицу. Во-первых – органическое удобрение можно использовать для круглогодичного выращивания овощей, урожайность которых будет стабильной.

Во-вторых – углекислый газ используется как подкормка – корневая или внекорневая, а его на выходе получается около 30%. Растения поглощают углекислоту из воздуха и при этом лучше растут и набирают зеленую массу. Если проконсультироваться со специалистами данной области, то они помогут установить оборудование, которое переводит углекислый газ из жидкой формы в летучее вещество.

Видео: Биогаз за 2 дня

Дело в том, что для содержания животноводческой фермы полученных энергоресурсов может быть много, особенно летом, когда не нужен подогрев коровника или свинарника.

Поэтому рекомендуется заняться еще одним прибыльным видом деятельности – экологически чистая теплица. Остатки продукции можно хранить в охлаждаемых помещениях – за счет все той же энергии. Холодильное или любое другое оборудование может работать на электричестве, которое вырабатывает газовая аккумуляторная батарея.

Использование в качестве удобрения

Кроме выработки газа биореактор полезен тем, что отходы используются в качестве ценного удобрения, которое сохраняет почти весь азот и фосфаты. При внесении в почву навоза 30 – 40% азота безвозвратно теряется.

Чтобы уменьшить потери азотных веществ, в грунт вносят свежие экскременты, но тогда выделяющийся метан повреждает корневую систему растений. После переработки навоза метан идет на собственные нужды, а все питательные вещества сохраняются.

Калий и фосфор после ферментации переходят в хелатную форму, которая усваивается растениями на 90%. Если смотреть в общем, то 1 тонна ферментированного навоза способна заменить 70 – 80 тонн обычных животных экскрементов.

Анаэробная переработка сохраняет весь имеющийся в навозе азот, переводя его в аммонийную форму, что на 20% увеличивает урожаи любых культур.

Такое вещество не опасно для корневой системы и может вноситься за 2 недели до высадки культур в открытый грунт, чтобы органика успела переработаться на этот раз почвенными аэробными микроорганизмами.

Перед использованием биоудобрение разводят водой в соотношении 1:60. Для этого подходит как сухая, так и жидкая фракция, которая после сбраживания также поступает в резервуар для отработанного сырья.

На гектар нужно от 700 до 1 000 кг/л неразбавленного удобрения. Учитывая, что с одного кубического метра площади реактора в день получается до 40 кг удобрений, то за месяц можно обеспечить не только свой участок, но и соседский, продавая органику.

Какие питательные вещества можно получить после отработки навоза

Основная ценность ферментированного навоза как удобрения – в наличии гуминовых кислот, которые как оболочка сохраняют ионы калия и фосфора. Окисляясь на воздухе при длительном хранении, микроэлементы утрачивают свои полезные качества, но при анаэробной переработке, наоборот, приобретают.

Гуматы положительно влияют на физико-химический состав грунта. В результате внесения органики, даже самые тяжелые почвы становятся более проницаемыми для влаги. Вдобавок, органические вещества являются пищей почвенных бактерий. Они дальше перерабатывают остатки, которые «недоели» анаэробы и выделяют гуминовые кислоты. В результате этого процесса растения получают питательные вещества, которые полностью усваивают.

Кроме основных – азота, калия и фосфора – в составе биоудобрения есть микроэлементы. Но их количество зависит от исходного сырья – растительного или животного происхождения.

Способы хранения шлама

Лучше всего хранить ферментированный навоз в сухом виде. Так его удобнее фасовать и транспортировать. Сухое вещество меньше теряет полезных свойств и его можно хранить в закрытом виде. Хотя в течение года такое удобрение вообще не портится, но дальше его нужно закрыть в мешок или емкость.

Жидкие формы необходимо сохранять в закрытых емкостях с плотно закручивающейся крышкой, чтобы не выветривался азот.

Основная проблема производителей биоудобрений – сбыт в зимнее время, когда растения находятся в состоянии покоя. На мировом рынке стоимость удобрений такого качества колеблется в пределах 130$ за тонну. Если наладить линию по расфасовке концентратов, то окупить свой реактор можно в течение двух лет.

Чем заменить навоз на даче: сидераты как альтернативное удобрение