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バイオガスガスの出力。バイオガスプラント: 有機廃棄物を永久にリサイクルします。家畜および家禽の廃棄物

バイオガスとは、有機物（例：藁、雑草、動物や人の糞便、生ゴミ、生活排水や工場排水からの有機性廃棄物など）を嫌気条件下で発酵（醗酵）させて得られるガスです。バイオガスの生産には、さまざまな異化機能を持つさまざまな種類の微生物が関与します。

バイオガスの組成。

バイオガスの半分以上はメタン (CH 4) で構成されています。メタンはバイオガスの約 60% を占めます。さらに、バイオガスには約 35% の二酸化炭素 (CO 2 ) が含まれており、水蒸気、硫化水素、一酸化炭素、窒素などの他のガスも含まれています。異なる条件下で得られるバイオガスは、その組成が異なります。したがって、人間の排泄物、肥料、屠殺廃棄物からのバイオガスには最大 70% のメタンが含まれ、植物残渣からのバイオガスには通常約 55% のメタンが含まれます。

バイオガスの微生物学。

バイオガス発酵は、関与する細菌の種類に応じて、次の 3 つの段階に分けることができます。

最初のものは細菌による発酵の始まりと呼ばれます。さまざまな有機細菌は増殖する際に細胞外酵素を分泌し、その主な役割は複合体を破壊することです。有機化合物単体物質の加水分解生成を伴う。たとえば、多糖類から単糖類へ。タンパク質をペプチドまたはアミノ酸に変換します。脂肪はグリセロールと脂肪酸に変わります。

第 2 段階は水素と呼ばれます。酢酸菌の働きにより水素が発生します。その主な役割は、細菌が酢酸を分解して二酸化炭素と水素を生成することです。

第三段階はメタン生成と呼ばれます。これにはメタン生成菌として知られる一種の細菌が関与します。その役割は、酢酸、水素、二酸化炭素を使用してメタンを生成することです。

バイオガス発酵原料の分類と特徴。

ほぼすべての天然有機材料がバイオガス発酵の原料として使用できます。バイオガス生産の主な原料は廃水です。食品、製薬、化学産業。農村部では、これは収穫時に発生する廃棄物です。起源の違いにより、バイオガスの形成プロセス、化学組成、構造も異なります。

起源に応じたバイオガスの原料源:

1. 農産物原料。

これらの原料は、窒素含有量の高い原料と炭素含有量の高い原料に分けることができます。

窒素含有量の高い原材料:

人の糞便、家畜の糞尿、鳥の糞。炭素と窒素の比率は 25:1 以下です。このような生の食品は、人または動物の胃腸管によって完全に消化されています。通常は含まれますたくさんの低分子量化合物。このような原料中の水分は部分的に変化し、低分子量化合物の一部となります。この原料は、容易かつ迅速に嫌気性分解されてバイオガスになることが特徴です。そして豊富なメタンの産出量もある。

炭素含有量の高い原材料:

わらと殻。炭素と窒素の比率は 40:1 です。内容が高い高分子量化合物：セルロース、ヘミセルロース、ペクチン、リグニン、植物ワックス。嫌気性分解は非常にゆっくりと起こります。ガス生成速度を高めるために、このような材料は通常、発酵前に前処理が必要です。

2. 都市の有機水廃棄物。

し尿、下水、有機性廃棄物、有機性産業排水、汚泥が含まれます。

3. 水生植物。

ホテイアオイ他を含む水生植物そして藻類。生産能力の推定計画利用率は、太陽エネルギーへの依存度が高いことが特徴です。収益性が高いのです。技術組織には、より慎重なアプローチが必要です。嫌気性分解が起こりやすい。メタンサイクルは短い。このような原料の特徴は、前処理を行わないと反応器内に浮遊することです。これを解消するには、原材料をわずかに乾燥させるか、2日間事前に堆肥化する必要があります。

湿度に応じたバイオガスの原料源:

1.固形原料:

わら、乾物含有量が比較的高い有機廃棄物。乾式発酵法で加工されています。反応器から大量の固体堆積物を除去する際には困難が生じる。原材料の総使用量は、固形分（TS）と揮発性物質（VS）の合計で表すことができます。揮発性物質はメタンに変換される可能性があります。揮発性物質を計算するには、原材料のサンプルを 530 ～ 570°C の温度のマッフル炉に投入します。

2. 液体原料:

新鮮な糞便、肥料、糞便。乾物が約20％含まれています。さらに、乾式発酵中に固形原料と混合するために10％の量の水を添加する必要がある。

3. 中湿度の有機性廃棄物:

このような原料にはさまざまな量のタンパク質、脂肪、炭水化物が含まれており、バイオガスの生産に適した原料です。この原料には、UASB タイプ (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - 上向き嫌気プロセス) の装置が使用されます。

表1。条件におけるバイオガスの流量（生成速度）に関する情報: 1) 発酵温度 30°C。 2) バッチ発酵

発酵廃棄物の名称	通常のガス生成時の平均バイオガス流量 (m 3 /m 3 /d)	バイオガス排出量、m 3 /Kg/TS	バイオガス生産量 (総バイオガス生産量に占める割合)
発酵廃棄物の名称	通常のガス生成時の平均バイオガス流量 (m 3 /m 3 /d)	バイオガス排出量、m 3 /Kg/TS	0-15日	25-45日	45-75日	75-135日
乾燥肥料	0,20	0,12	11	33,8	20,9	34,3
化学工業用水	0,40	0,16	83	17	0	0
ログルニク（チリム、ヒシの実）	0,38	0,20	23	45	32	0
ウォーターサラダ	0,40	0,20	23	62	15	0
豚糞	0,30	0,22	20	31,8	26	22,2
乾いた草	0,20	0,21	13	11	43	33
ストロー	0,35	0,23	9	50	16	25
人糞尿	0,53	0,31	45	22	27,3	5,7

メタン発酵の過程の計算。

一般原理発酵工学の計算は、有機原料の投入量を増やし、メタンサイクルの期間を短縮することに基づいています。

サイクルごとの原材料の計算。

原材料の積載量は、質量分率 TS (%)、質量分率 VS (%)、濃度 COD (COD - 化学的酸素要求量、COD - 酸素の化学的指標を意味します) (Kg/m 3) によって特徴付けられます。濃度は発酵装置の種類によって異なります。たとえば、最新の産業廃水反応器は UASB (上流嫌気プロセス) です。固体原料の場合、AF (嫌気性フィルター) が使用されます。通常、濃度は 1% 未満です。バイオガスの原料となる産業廃棄物は高濃度であることが多く、希釈する必要があります。

ダウンロード速度の計算。

一日当たりの反応器負荷量を決定するには、濃度 COD (Kg/m 3 ・d)、TS (Kg/m 3 ・d)、VS (Kg/m 3 ・d) を使用します。これらの指標はバイオガスの効率を評価するための重要な指標です。負荷を抑えつつ、高いガス発生量を確保する努力が必要です。

反応器容積とガス出力の比率の計算。

この指標は原子炉の効率を評価するための重要な指標です。 Kg/m 3 ・dで測定されます。

発酵の単位質量あたりのバイオガス収量。

この指標は、バイオガス生産の現状を特徴づけます。たとえば、ガスコレクタの体積は 3 m 3 です。毎日10kg/TS供給されます。バイオガス収量は 3/10 = 0.3 (m 3 /Kg/TS) です。状況に応じて、理論上のガス出力または実際のガス出力を使用できます。

バイオガスの理論的収量は次の式で求められます。

メタン生成 (E):

E = 0.37A + 0.49B + 1.04C。

二酸化炭素生成 (D):

D = 0.37A + 0.49B + 0.36C。ここで、A は発酵材料 1 グラムあたりの炭水化物含有量、B はタンパク質、C は脂肪含有量です。

油圧ボリューム。

効率を上げるには発酵期間を短縮する必要があります。発酵微生物の損失とある程度の関連性があります。現在、一部の効率的なリアクターの発酵時間は 12 日またはそれ以下です。水力容積は、原料装填が開始された日から毎日の原料装填量を計算することによって計算され、反応器内の滞留時間に依存します。例えば、発酵は３５℃で計画され、フィード濃度は８％（ＴＳの総量）、１日のフィード量は５０ｍ３、反応器内での発酵期間は２０日間である。水力容積は、50・20 = 100 m3 となります。

有機汚染物質の除去。

バイオガスの生産には、他の生化学的生産と同様に廃棄物が伴います。生化学的生産廃棄物は、管理されていない廃棄物処理の場合、環境破壊を引き起こす可能性があります。例えば、隣の川に落ちた。現代の大規模バイオガスプラントでは、1 日に数千キロ、さらには数万キロの廃棄物が生成されます。大規模なバイオガスプラントからの廃棄物の定性的組成と処分方法は、企業の研究所と州の環境局によって管理されています。小規模農場のバイオガスプラントには、次の 2 つの理由からそのような制御がありません。1) 廃棄物が少ないため、環境への害がほとんどありません。 2) 廃棄物の高品質分析を実行するには、特定の実験装置と高度に専門化された人材が必要です。小規模農家にはこれがありませんし、政府機関がそのような管理は不適切であると当然考えています。

バイオガス反応炉廃棄物の汚染レベルの指標は COD (酸素の化学的指標) です。

次の数学的関係が使用されます: 有機負荷率の COD Kg/m 3 ・d= COD の負荷濃度 (Kg/m 3) / 水力学的保存寿命 (d)。

反応器容積内のガス流量 (kg/(m 3 ・d)) = バイオガス収量 (m 3 /kg) / 有機負荷率の COD kg/(m 3 ・d)。

バイオガスエネルギープラントの利点:

固体および液体の廃棄物には、ハエやげっ歯類を寄せ付けない特有の臭気があります。

有用な最終生成物であるクリーンで便利な燃料であるメタンを生産する能力。

発酵プロセス中に、雑草の種子と一部の病原菌は死滅します。

発酵プロセス中、窒素、リン、カリウム、その他の肥料成分はほぼ完全に保存され、有機窒素の一部はアンモニア態窒素に変換され、その価値が高まります。

発酵残渣は動物の飼料として使用できます。

バイオガス発酵には空気中の酸素を使用する必要がありません。

嫌気性汚泥は栄養素を添加せずに数か月間保存でき、その後バージン飼料を添加するとすぐに発酵が再び始まります。

バイオガスエネルギープラントの欠点:

装置が複雑であり、建設に比較的多額の投資が必要です。

高度な建設、管理、メンテナンスが必要です。

発酵の最初の嫌気性増殖はゆっくりと起こります。

メタン発酵プロセスとプロセス制御の特徴:

1. バイオガス生成の温度。

バイオガス生成の温度は 4 ～ 65°C の比較的広い温度範囲で使用できます。温度が上昇すると、バイオガス生成速度は増加しますが、直線的に増加するわけではありません。温度40～55℃は、高温菌や中温菌といったさまざまな微生物の生命活動の移行帯です。嫌気性発酵は50～55℃の狭い温度範囲で最も速く行われます。発酵温度 10°C では、ガス流量は 90 日で 59% になりますが、発酵温度 30°C では同じ流量が 27 日で発生します。

温度の急激な変化はバイオガスの生成に大きな影響を与えます。バイオガスプラントの設計では、必ず温度などのパラメータを制御する必要があります。 5℃を超える温度変化は、バイオガス反応器の生産性を大幅に低下させます。たとえば、バイオガス反応器内の温度が長い間摂氏 35 度が突然 20 度に低下すると、バイオガス反応器の生産はほぼ完全に停止します。

2. 接木材料。

メタン発酵を完了するには、通常、特定の数と種類の微生物が必要です。メタン微生物が豊富に含まれる堆積物は接種材料と呼ばれます。バイオガス発酵は自然界で広く行われており、接ぎ木材料がある場所でも同様に広く行われています。これらは、下水汚泥、沈泥堆積物、肥料ピットの底堆積物、さまざまな降水量廃水、消化残渣など豊富な有機物と良好な嫌気条件により、豊かな微生物群集が発達します。

新しいバイオガス反応器に初めて接種材料を追加すると、停滞期間を大幅に短縮できます。新しいバイオガス反応器では、接ぎ木材を手作業で施肥する必要があります。使用する産業廃棄物原料として特にこだわっています。

3. 嫌気性環境。

環境の嫌気性は嫌気性の程度によって決まります。通常、酸化還元電位は値 Eh で表されます。嫌気的条件下では、Eh は負の値になります。嫌気性メタン細菌の場合、Eh は -300 ～ -350mV の範囲にあります。通性酸を生成する一部の細菌は、Eh -100 ～ + 100 mV で通常の生活を送ることができます。

嫌気性条件を確保するには、バイオガス反応器が密閉して構築され、水密で漏れがないことを保証する必要があります。大型の産業用バイオガス反応器の場合、Eh 値は常に制御されます。小規模な農場バイオガス反応器の場合、高価で複雑な機器を購入する必要があるため、この値を制御するという問題が発生します。

4. バイオガス反応器内の媒体の酸性度 (pH) の制御。

メタン生成菌は、非常に狭い範囲内の pH 範囲を必要とします。平均pH=7。発酵はpH6.8から7.5の範囲で起こります。 pH 制御は小型バイオガス反応器で利用できます。これを行うために、多くの農家は使い捨てのリトマス試験紙を使用しています。大規模プラントでは電子 pH 監視装置が使用されることがよくあります。通常の状況下では、メタン発酵のバランスは自然なプロセスであり、通常は pH 調整は必要ありません。揮発性酸の大量の蓄積と pH の低下が現れるのは、個別の管理ミスの場合のみです。

高酸性 pH の影響を軽減するための対策には次のようなものがあります。

(1) バイオガス反応器内の媒体を部分的に交換し、それによって揮発性の酸含有量を希釈します。これにより pH が上昇します。

(2) 灰またはアンモニアを加えて pH を上げます。

(3)石灰でpHを調整します。この対策は、酸含有量が非常に多い場合に特に効果的です。

5. バイオガス反応器内で媒体を混合します。

典型的な発酵タンクでは、発酵培地は通常、上部クラスト、上澄み層、活性層、沈殿物層の 4 つの層に分かれています。

混合の目的:

1) 活性細菌を一次原料の新しい部分に再配置し、微生物と原料の接触面積を増やしてバイオガス生成速度を加速し、原料の使用効率を高めます。

2) バイオガスの放出に対する抵抗を生み出す厚い地殻の形成を回避する。わら、雑草、木の葉などの原料は、特に混合が要求されます。厚い地殻の層では、酸が蓄積する条件が作られますが、これは容認できません。

混合方法:

1) バイオガス反応器の作業空間内に設置されたさまざまなタイプのホイールによる機械的混合。

2) バイオリアクターの上部から採取され、バイオリアクターに供給されるバイオガスと混合下部過剰な圧力で。

3) 循環油圧ポンプによる混合。

6. 炭素と窒素の比率。

最適な比率の栄養素のみが効果的な発酵に貢献します。主な指標は炭素と窒素の比率 (C:N) です。最適な比率は 25:1 です。多くの研究により、最適な比率の限界は 20 ～ 30:1 であり、比率が 35:1 になるとバイオガス生成が大幅に減少することが証明されています。実験研究により、炭素と窒素の比率が 6:1 であればバイオガス発酵が可能であることが明らかになりました。

7. プレッシャー。

メタンバクテリアは高い静水圧（約 40 メートル以上）に適応できます。しかし、圧力の変化に非常に敏感であるため、安定した圧力 (急激な圧力変化がないこと) が必要です。圧力の重大な変化は、バイオガス消費量の大幅な増加、バイオリアクターへの一次原料の比較的高速かつ大量の装填、または同様の堆積物からのリアクターのアンロード（洗浄）の場合に発生する可能性があります。

圧力を安定させる方法:

２）新鮮な一次原料の供給と洗浄を同時に同じ吐出量で行う。

3) バイオガス反応器にフローティングカバーを取り付けると、比較的安定した圧力を維持できます。

8. 活性化剤と阻害剤。

一部の物質は少量添加するとバイオガス反応器の性能を向上させ、そのような物質は活性剤として知られています。少量添加される他の物質はバイオガス反応器内のプロセスの重大な阻害につながりますが、そのような物質は阻害剤と呼ばれます。

いくつかの酵素、無機塩、有機物質および無機物質を含む、多くの種類の活性化剤が知られています。たとえば、一定量の酵素セルラーゼを添加すると、バイオガスの生成が大幅に促進されます。高級酸化物 (R 2 O 5) を 5 mg/Kg 添加すると、ガス生成量が 17% 増加します。わらなどからの一次原料のバイオガス収量は、重炭酸アンモニウム (NH 4 HCO 3) を添加することによって大幅に増加できます。活性化剤も活性炭または泥炭です。バイオリアクターに水素を供給すると、メタン生成が劇的に増加します。

阻害剤とは、主に金属イオン、塩、殺菌剤の一部の化合物を指します。

発酵プロセスの分類。

メタン発酵は完全に嫌気性の発酵です。発酵プロセスは次の種類に分類されます。

発酵温度による分類。

発酵温度は「自然」発酵（温度可変発酵）に分けられ、この場合の発酵温度は約35℃、高温発酵（約53℃）となります。

差異による分類。

発酵の性質の違いにより、一段発酵、二段発酵、多段発酵に分けられます。

1) 一段階発酵。

最も多くを指します一般的なタイプ発酵。これは、酸とメタンが同時に生成されるデバイスに当てはまります。一段階発酵は、二段階発酵や多段階発酵よりも BOD (生物学的酸素要求量) の点で効率が低い場合があります。

２）二段発酵。

酸とメタン生成微生物の別々の発酵に基づいています。これら 2 種類の微生物は生理機能や栄養要件が異なり、増殖や代謝特性などの面で大きな違いがあります。 2 段階発酵により、バイオガス生成と揮発性物質の分解が大幅に改善されます。脂肪酸、発酵サイクルを短縮し、運転コストを大幅に節約し、廃棄物から有機不純物を効果的に除去します。

3) 多段階発酵。

セルロースを多く含む主原料として次の順序で使用されます。

（１）セルロース系材料を酸やアルカリの存在下で加水分解する。グルコースが形成されます。

(2) グラフト材を導入します。これは通常、バイオガス反応器からの活性汚泥または廃水です。

(3) 酸性細菌の生産に適した条件を作成します (揮発性の酸を生成します): pH=5.7 (ただし 6.0 以下)、Eh=-240mV、温度 22°C。この段階で、酢酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸などの揮発性の酸が生成されます。

(4) メタン細菌の生産に適した条件を作成します: pH=7.4-7.5、Eh=-330mV、温度 36-37°C

周期性による分類。

発酵技術は回分発酵、連続発酵、半連続発酵に分類されます。

1) バッチ発酵。

原料とグラフト材料は一度バイオガス反応器に投入され、発酵を受けます。この方法は、主要原材料の積み込みや廃棄物の積み下ろしが困難で不便な場合に使用されます。たとえば、刻んだわらや有機廃棄物の大きな練炭は使用できません。

２）連続発酵。

これには、原材料が日常的に 1 日に数回バイオリアクターにロードされ、発酵廃棄物が除去される場合が含まれます。

3) 半連続発酵。

これはバイオガス反応器にも当てはまります。バイオガス反応器では、異なる一次原料を不等量で時々追加するのが通常です。この技術スキームは中国の小規模農場で最もよく使用されており、農業の特殊性に関連しています。作品半連続発酵を行うバイオガスリアクターには、さまざまな設計上の違いがある可能性があります。これらの設計については以下で説明します。

スキームその1。固定蓋付きバイオガス反応器。

設計の特徴: 発酵チャンバーとバイオガス貯蔵施設を 1 つの構造に組み合わせたもの: 原料は下部で発酵します。バイオガスは上部に蓄えられます。

動作原理：

バイオガスは液体から出てきて、ドーム内のバイオガス反応器の蓋の下に集められます。バイオガスの圧力は液体の重量によってバランスが保たれます。ガス圧力が高いほど、より多くの液体が発酵チャンバーから出ます。ガス圧力が低いほど、より多くの液体が発酵チャンバーに入ります。バイオガス反応器の作動中、その内部には常に液体とガスが存在します。しかし、比率が異なります。

スキームその2。フローティングカバー付きのバイオガス反応器。

スキームその3。固定蓋と外部ガスホルダーを備えたバイオガス反応器。

設計上の特徴: 1) フローティングカバーの代わりに、別個に構築されたガスタンクを備えています。 2) 出口のバイオガス圧力は一定です。

スキーム No. 3 の利点: 1) 特定の圧力定格を厳密に必要とするバイオガスバーナーの操作に最適です。 2) バイオガス反応器内での発酵活性が低いため、安定した高圧のバイオガスを消費者に提供することが可能です。

家庭用バイオガス反応器の構築に関するガイド。

GB/T 4750-2002 家庭用バイオガス反応器。

GB/T 4751-2002 国内バイオガス反応器の品質合格。

GB/T 4752-2002 家庭用バイオガス反応器の建設に関する規則。

GB 175 -1999 ポルトランドセメント、普通ポルトランドセメント。

GB 134-1999 ポートランドスラグセメント、凝灰岩セメント、フライアッシュセメント。

GB 50203-1998 石積みの建設と受け入れ。

JGJ52-1992 普通砂コンクリートの品質規格。テスト方法。

JGJ53- 1992 通常の砕石または砂利コンクリートの品質規格。テスト方法。

JGJ81 -1985 普通コンクリートの機械的性質。試験方法。

JGJ/T 23-1992 リバウンド法によるコンクリートの圧縮強度を試験するための技術仕様書。

JGJ70 -90 迫撃砲。基本特性の試験方法。

GB 5101-1998 レンガ。

GB 50164-92 コンクリートの品質管理。

気密性。

バイオガス反応器の設計により、内部圧力は 8000 (または 4000 Pa) になります。 24時間後の漏れ率は3%未満です。

反応器容積あたりのバイオガス生成の単位。

バイオガス生成の満足のいく条件では、反応器容積 1 立方メートルあたり 0.20 ～ 0.40 m 3 のバイオガスが生成されるのが正常であると考えられます。

通常のガス貯蔵量は、毎日のバイオガス生産量の 50% です。

安全率は K=2.65 以上です。

通常の耐用年数は少なくとも 20 年です。

活荷重 2 kN/m2。

基礎構造の耐力は少なくとも 50 kPa です。

ガスタンクは 8000 Pa 以下の圧力用に設計されており、浮き蓋付きの圧力は 4000 Pa 以下に設計されています。

プールの最大圧力制限は 12000 Pa 以下です。

反応器のアーチ形のアーチ型ヴォールトの最小厚さは少なくとも 250 mm です。

リアクターの最大負荷はその体積の 90% です。

反応器の設計では、反応器の蓋の下に、毎日のバイオガス生産量の 50% に相当するガス浮遊選別のためのスペースが存在するように設計されています。

反応器容積は６ｍ３、ガス流量は０．２０ｍ３／ｍ３／ｄである。

これらの図面に従って、4 m3、8 m3、10 m3 の容積の反応器を構築することが可能です。これを行うには、図面の表に示されている補正寸法値を使用する必要があります。

バイオガス反応器の建設の準備。

バイオガス反応器のタイプの選択は、発酵原料の量と特性によって異なります。さらに、選択は地元の水文地質学的状況や気候条件そして施工技術のレベル。

家庭用バイオガス反応器は、トイレや家畜のいる敷地の近くに 25 メートル以内の距離に設置する必要があります。バイオガス反応器の設置場所は、風下で日当たりの良い堅い地面の上にある必要があります。低レベル地下水。

フローテーブルを使用してバイオガスリアクターの設計を選択する建材下記のとおり。

表3. プレキャストコンクリートパネルバイオガスリアクターの材料スケール

		反応器容積、m 3
		4	6	8	10
	体積、m 3	1,828	2,148	2,508	2,956
	セメント、kg	523	614	717	845
	砂、m 3	0,725	0,852	0,995	1,172
	砂利、m 3	1,579	1,856	2,167	2,553
	体積、m 3	0,393	0,489	0,551	0,658
	セメント、kg	158	197	222	265
	砂、m 3	0,371	0,461	0,519	0,620
セメントペースト	セメント、kg	78	93	103	120
材料の総量	セメント、kg	759	904	1042	1230
	砂、m 3	1,096	1,313	1,514	1,792
	砂利、m 3	1,579	1,856	2,167	2,553

表4. プレキャストコンクリートパネルバイオガスリアクターの材料スケール

		反応器容積、m 3
		4	6	8	10
	体積、m 3	1,540	1,840	2,104	2,384
	セメント、kg	471	561	691	789
	砂、m 3	0,863	0,990	1,120	1,260
	砂利、m 3	1,413	1,690	1,900	2,170
プレハブ建物の左官工事	体積、m 3	0,393	0,489	0,551	0,658
	セメント、kg	158	197	222	265
	砂、m 3	0,371	0,461	0,519	0,620
セメントペースト	セメント、kg	78	93	103	120
材料の総量	セメント、kg	707	851	1016	1174
	砂、m 3	1,234	1,451	1,639	1,880
	砂利、m 3	1,413	1,690	1,900	2,170
鋼材	鋼棒直径 12 mm、kg	14	18,98	20,98	23,00
鋼材	スチール補強直径 6.5 mm、kg	10	13,55	14,00	15,00

表5. 現場打ちコンクリートバイオガス反応器用材料スケール

		反応器容積、m 3
		4	6	8	10
	体積、m 3	1,257	1,635	2,017	2,239
	セメント、kg	350	455	561	623
	砂、m 3	0,622	0,809	0,997	1,107
	砂利、m 3	0,959	1,250	1,510	1,710
プレハブ建物の左官工事	体積、m 3	0,277	0,347	0,400	0,508
	セメント、kg	113	142	163	208
	砂、m 3	0,259	0,324	0,374	0,475
セメントペースト	セメント、kg	6	7	9	11
材料の総量	セメント、kg	469	604	733	842
	砂、m 3	0,881	1,133	1,371	1,582
	砂利、m 3	0,959	1,250	1,540	1,710

表6. 図面内の記号。

説明	図面上の指定
材料：
パイプ（地面の溝）









記号:

詳細図へのリンクです。先頭の数字は部品番号を示します。一番下の番号は、部品の詳細な説明が記載された図面番号を示します。下位桁の代わりに「-」記号が表示されている場合は、詳細な説明詳細はこの図に示されています。


部品のセクション。太線はカット面と視線方向を示し、数字はカットの識別番号を示します。
矢印は半径を示します。文字 R の後の数字は半径の値を示します。



一般的に受け入れられているもの:



したがって、楕円体の長半径と短軸は
長さ

バイオガス反応器の設計。

特徴:

メインプールのデザイン機能のタイプ。

底部は入口ポートから出口ポートに向かって傾斜しています。これにより、一定の移動流が確実に形成されます。図面番号 1 ～ 9 は、タイプ A、タイプ B、タイプ C の 3 つのタイプのバイオガス反応器構造を示しています。

バイオガス反応器タイプ A: 最もシンプルな設計。液体物質の除去は、発酵室内のバイオガス圧力の力によって出口窓を通してのみ行われます。

バイオガス反応器B型：メインプールの中央に垂直パイプが設置されており、運転中に必要に応じて液体物質の供給や除去が可能です。さらに、垂直パイプを通る物質の流れを形成するために、このタイプのバイオガスリアクターにはメインプールの底部に反射 (ディフレクター) 隔壁が付いています。

バイオガス反応器タイプ C: タイプ B 反応器と同様の設計ですが、中央の垂直パイプに取り付けられたシンプルな設計の手動ピストンポンプと、メインベインズの底部にその他の反射バッフルが装備されています。。これらの設計機能により、高速サンプルのシンプルさにより、メインプール内の主要な技術プロセスのパラメータを効果的に制御することが可能になります。また、バイオガスバクテリアのドナーとしてバイオガスリアクターを使用します。このタイプの反応器では、基質の拡散 (混合) がより完全に起こり、バイオガスの収量が増加します。

発酵の特徴:

このプロセスは、グラフト材料を選択することから構成されます。一次原料の準備（水による密度の仕上げ、酸度の調整、グラフト材料の添加）。発酵（基質の混合と温度の制御）。

人糞、家畜の糞尿、鳥の糞などを発酵原料として使用します。連続発酵プロセスでは、バイオガスリアクターを効果的に動作させるための比較的安定した条件が生み出されます。

設計原則。

「トリプル」システム（バイオガス、トイレ、納屋）に準拠しています。バイオガス反応器は縦型の円筒形のタンクです。円筒部の高さＨ＝１ｍ。上部タンクにはアーチ型のヴォールトがあります。アーチの高さと円筒部分の直径の比は、ｆ１／Ｄ＝１／５である。底部は入口ポートから出口ポートに向かって傾斜しています。傾斜角度は5度。

タンクの設計により、満足のいく発酵条件が保証されます。基板の移動は重力によって発生します。このシステムはタンクが満杯になると作動し、バイオガス生成量を増加させることで原料の滞留時間に基づいてシステム自体を制御します。タイプ B および C のバイオガス反応器には、基質を処理するための追加の装置が備わっています。

タンクに原料が完全に充填されていない可能性があります。これにより、効率を犠牲にすることなくガスの排出量が削減されます。

低コストで管理が容易で、広く普及しています。

建材の説明。

バイオガス反応器の壁、底、屋根の材質はコンクリートです。

搬入路などの四角い部分はレンガで製作可能です。コンクリート構造物は、コンクリート混合物を流し込むことによって作成できますが、プレキャストコンクリート要素（入口ポートカバー、バクテリアタンク、センターパイプなど）から作成することもできます。細菌のケージは断面が円形で、割れた卵の殻を編組状に配置したものです。

建設作業の一連の流れ。

型枠の注入方法は以下の通りです。将来のバイオガス反応炉の輪郭が地面にマークされています。土が取り除かれます。まずは底を埋めていきます。底部に型枠を設置し、リング状にコンクリートを流し込みます。壁は型枠を使用して注入され、次にアーチ型のアーチ型天井が形成されます。型枠には鋼、木材、レンガを使用できます。注湯は対称的に行われ、強度を上げるためにタンピング装置が使用されます。余分な流動性コンクリートをスパチュラで取り除きます。

建設図面。

建設は図面番号1〜9に従って実行されます。

図 1. バイオガス反応器 6 m 3。タイプA:

図 2. バイオガス反応器 6 m 3。タイプA:

プレキャストコンクリートスラブからのバイオガス反応器の建設は、より高度な建設技術です。この技術は、寸法精度を維持し、施工時間とコストを削減する実装が容易なため、より高度です。この建設の主な特徴は、原子炉の主要要素（アーチ形のアーチ形のアーチ形の金庫、壁、チャネル、カバー）が設置場所から離れた場所で製造され、その後設置場所に輸送され、現場の大きなピットで組み立てられることです。このような反応器を組み立てるときは、水平方向および垂直方向の設置の精度、および突合せ接合部の密度に主な注意が払われます。

図 13. バイオガス反応器 6 m 3。鉄筋コンクリートスラブ製バイオガス反応器の詳細:

図 14. バイオガス反応器 6 m 3。バイオガス反応器アセンブリの要素:

図 15. バイオガス反応器 6 m 3。鉄筋コンクリート製原子炉の組み立て要素:

みなさん、良い一日を！この投稿では、引き続き代替エネルギーのテーマを取り上げます。その中で、バイオガスと、家庭の暖房や料理へのバイオガスの利用についてお話します。このトピックは、この種の燃料を入手するためにさまざまな原材料にアクセスできる農家にとって最も興味深いものです。まず、バイオガスとは何か、そしてそれがどこから来るのかを理解しましょう。

バイオガスはどこから来て、その成分は何ですか?

バイオガスは、栄養培地中での微生物の生命活動の生成物として発生する可燃性ガスです。この栄養培地は肥料またはサイレージであり、特別なバンカーに入れられます。リアクターと呼ばれるこのバンカーでは、バイオガスが生成されます。反応器の内部は次のように配置されます。

バイオマスの発酵プロセスをスピードアップするには、加熱する必要があります。このために、任意の加熱ボイラーに接続された発熱体または熱交換器を使用できます。暖房のための無駄なエネルギーコストを避けるために、優れた断熱性を忘れてはなりません。加熱に加えて、発酵塊を撹拌する必要があります。これがないと、設置効率が大幅に低下する可能性があります。混合は手動または機械で行うことができます。すべては予算や利用可能なものによって異なります技術的手段。リアクターで最も重要なのは容積です。小型の反応器は物理的に大量のガスを生成することができません。

ガスの化学組成は、反応器内でどのようなプロセスが行われるかに大きく依存します。ほとんどの場合、そこではメタン発酵のプロセスが発生し、その結果、メタンの割合が高いガスが生成されます。しかし、メタン発酵の代わりに、水素の生成を伴うプロセスが起こる可能性は十分にあります。しかし、私の意見では、水素は平均的な消費者にとって必要ではなく、危険である可能性さえあります。ヒンデンブルク飛行船の死を思い出してください。では、バイオガスが何から得られるのか見てみましょう。

バイオガスは何から得られますか?

ガスは以下から入手できますさまざまな種類バイオマス。それらをリスト形式でリストしてみましょう。

食品生産廃棄物 - これは屠殺または乳製品生産から生じる廃棄物です。ヒマワリ油または綿実油の生産から生じる適切な廃棄物。これは完全なリストではありませんが、本質を伝えるには十分です。このタイプの原料は、ガス中に最も高いメタン含有量 (最大 85%) を生成します。
農作物 - 場合によっては、ガスを生成するために特殊な種類の植物が栽培されます。たとえば、サイレージトウモロコシや海藻がこれに適しています。ガス中のメタン含有率は約 70% です。
肥料は大規模な畜産場で最もよく使用されます。肥料を原料として使用する場合、ガス中のメタンの割合は通常 60% を超えず、残りは二酸化炭素とかなりの量の硫化水素とアンモニアになります。

バイオガス設備のブロック図。

バイオガスプラントがどのように機能するかを最もよく理解するために、次の図を見てみましょう。

バイオリアクターの設計については上で説明したので、ここでは説明しません。インストールの他のコンポーネントを見てみましょう。

廃棄物受け器は、原材料が最初の段階で投入される一種の容器です。その中で、原料を水と混合し、粉砕することができます。
ポンプ（廃棄物受け器の後）は糞便ポンプであり、これを利用してバイオマスが反応器内に汲み上げられます。
ボイラーは、任意の燃料を使用する加熱ボイラーであり、反応器内のバイオマスを加熱するように設計されています。
ポンプ（ボイラーの隣）は循環ポンプです。
「肥料」は発酵汚泥を落とす容器です。文脈から明らかなように、肥料として使用できます。
フィルターは、バイオガスを調整する装置です。フィルターは余分なガスと水分を除去します。
コンプレッサー - ガスを圧縮します。
ガス貯蔵所は、すぐに使用できるガスを必要なだけ長期間貯蔵できる密閉タンクです。

個人住宅用のバイオガス。

小規模農場の所有者の多くは、内部ニーズのためにバイオガスの使用を検討しています。しかし、それがどのように機能するかを詳しく知ると、ほとんどの人はこの考えを放棄します。これは、肥料やサイレージを処理するための設備に多額の費用がかかり、ガスの発生量（原料によって異なります）が少ない場合があるという事実によるものです。これにより、機器の設置は不採算になります。通常、農家は個人宅の肥料で動作する原始的な設備を設置します。ほとんどの場合、キッチンと低電力の壁に取り付けられたガスボイラーにのみガスを供給できます。同時に技術的プロセス加熱、ポンプ、コンプレッサーの作動に多大なエネルギーを費やす必要があります。高価なフィルターも表示から除外することはできません。

一般に、ここでの教訓は次のとおりです。設備自体が大規模であればあるほど、その運用の収益性は高くなります。しかし、家庭環境では、これはほとんどの場合不可能です。しかし、これは誰も住宅設置を行わないという意味ではありません。スクラップ材料を使用するとどのような感じになるかについては、次のビデオをご覧いただくことをお勧めします。

まとめ。

バイオガスは、有機廃棄物を有効にリサイクルする優れた方法です。産出物は燃料と発酵汚泥の形で有用な肥料です。この技術は、処理される原材料の量が多いほど効率的に機能します。最新のテクノロジー特別な触媒と微生物を使用してガス生成を大幅に増加させることが可能です。このすべての主な欠点は、1立方メートルの価格が高いことです。一般の人々にとっては、多くの場合、廃棄物処理プラントを建設するよりもボンベ入りのガスを購入する方がはるかに安いでしょう。しかし、もちろん、すべてのルールには例外があるため、バイオガスへの切り替えを決定する前に、立方メートルあたりの価格と回収期間を計算する価値があります。今のところはこれですべてです。コメントに質問を書いてください

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バイオガス収量とメタン含有量

出口バイオガス通常、肥料に含まれる乾物 1 キログラムあたりのリットルまたは立方メートルで計算されます。この表は、中温温度で 10 ～ 20 日間発酵させた後の、さまざまな種類の原料の乾物 1 kg あたりのバイオガス収量を示しています。

表を使用して新鮮な原材料からのバイオガス収量を決定するには、まず新鮮な原材料の水分含有量を決定する必要があります。これを行うには、1キログラムの新鮮な肥料を取り、乾燥させ、乾燥した残留物の重量を量ります。肥料の水分含有率は、(1 - 乾燥した肥料の重量)x100% という式を使用して計算できます。

原料の種類	ガス出力 (m 3 乾物1kgあたり）	メタン含有量(%)
A. 動物の糞尿
牛ふん	0,250 - 0,340	65
豚糞	0,340 - 0,580	65 - 70
鳥の糞	0,310 - 0,620	60
馬の糞	0,200 - 0,300	56 - 60
羊の糞	0,300 - 620	70
B. 家庭廃棄物
下水、糞便	0,310 - 0,740	70
野菜くず	0,330 - 0,500	50-70
ポテトトップ	0,280 - 0,490	60 - 75
ビートトップ	0,400 - 0,500	85
C. 野菜乾燥廃棄物
麦わら	0,200 - 0,300	50 - 60
ライ麦わら	0,200 - 0,300	59
大麦わら	0,250 - 0,300	59
オーツ麦わら	0,290 - 0,310	59
トウモロコシのわら	0,380 - 0,460	59
リネン	0,360	59
麻	0,360	59
ビートパルプ	0,165
ヒマワリの葉	0,300	59
クローバー	0,430 - 0,490
D. その他
草	0,280 - 0,630	70
木の葉	0,210 - 0,290	58

異なる種類の原料を使用した場合のバイオガス収量とメタン含有量

一定の水分を含む新鮮な肥料が乾物 1 kg に相当する量は、次のように計算できます。100 から肥料の水分含有率を引き、100 をこの値で割ります。

100: (100% - 湿度 (%))。

例1.

原料となる牛ふんの水分含有量を85％とすると。 1 キログラムの乾物は 100:(100-85) = 約 6.6 キログラムの新鮮な肥料に相当します。これは、6.6 キログラムの新鮮な牛糞から得られるバイオガスは 0.250 ～ 0.320 立方メートルであり、1 キログラムの新鮮な牛糞から得られるバイオガスは 6.6 分の 1 の 0.037 ～ 0.048 立方メートルであることを意味します。

例2。

豚糞の水分含量は 80% であると判断しました。これは、1 キログラムの乾物が 5 キログラムの新鮮な豚糞に等しいことを意味します。
表から、1 kg の乾物または 5 kg の新鮮な豚糞尿から 0.340 ～ 0.580 m 3 のバイオガスが放出されることがわかります。これは、新鮮な豚糞尿 1 キログラムから 0.068 ～ 0.116 m 3 のバイオガスが排出されることを意味します。

おおよその値

毎日の新鮮な肥料の重量がわかっている場合、毎日のバイオガス生産量はおよそ次のようになります。

牛糞尿 1 トン - バイオガス 40 ～ 50 m 3。
1トンの豚糞 - 70〜80 m 3のバイオガス。
鳥の糞 1 トン - バイオガス 60 ～ 70 m 3。おおよその値は、水分含有量が85％〜92％の完成した原材料に対して与えられることを覚えておく必要があります。

バイオガス重量

バイオガスの体積重量は 1m 3 あたり 1.2kg であるため、得られる肥料の量を計算する場合は、処理された原料の量からそれを差し引く必要があります。

1 日あたりの原料の平均積載量が 55 kg で、牛 1 頭あたりの 1 日あたりのバイオガス生産量が 2.2 ～ 2.7 m 3 の場合、原料の質量はバイオガスプラントでの処理中に 4 ～ 5% 減少します。

バイオガス生産プロセスの最適化

酸を生成する細菌やメタンを生成する細菌は、自然界のあらゆる場所、特に動物の排泄物に存在します。大きな体の消化器系では、牛肥料の発酵に必要な微生物の完全なセットが含まれています。したがって、新しい反応器に投入される原料として牛の糞尿が使用されることがよくあります。発酵プロセスを開始するには、次の条件を提供するだけで十分です。

反応器内の嫌気条件の維持

メタン生成細菌の生命活動は、バイオガスプラントの反応器内に酸素が存在しない場合にのみ可能であるため、反応器が密閉され、酸素が反応器に入らないようにする必要があります。

温度コンプライアンス

最適な温度を維持することは、発酵プロセスにおいて最も重要な要素の 1 つです。で自然条件教育バイオガス温度は 0°C ～ 97°C で発生しますが、有機廃棄物を処理してバイオガスとバイオ肥料を生成するプロセスの最適化を考慮すると、次の 3 つの温度領域が区別されます。

精神好性の温度体制は20〜25℃までの温度によって決まります。
中温温度レジームは、25°C ～ 40°C の温度によって決まります。
好熱性の温度領域は、40°C を超える温度によって決まります。

細菌によるメタン生成の程度は、温度の上昇とともに増加します。ただし、遊離アンモニアの量も温度とともに増加するため、発酵プロセスが遅くなる可能性があります。バイオガスプラント反応器を加熱しない場合、年間平均気温が約 20℃以上、または日平均温度が少なくとも 18℃に達する場合にのみ満足のいく性能を発揮します。平均気温が 20 ～ 28°C になると、ガス生成量が不釣り合いに増加します。バイオマスの温度が 15°C 未満の場合、ガス出力が非常に低くなり、断熱と暖房のないバイオガスプラントは経済的に利益が得られなくなります。

最適な温度体制に関する情報は、原材料の種類によって異なります。牛、豚、家禽の混合肥料を使用するバイオガスプラントの場合、中温温度領域の最適温度は 34 ～ 37°C、好熱温度領域の最適温度は 52 ～ 54°C です。精神病性の温度条件は、温度制御のない暖房のない施設で観察されます。精神好性モードにおけるバイオガスの最も強い放出は 23°C で発生します。

バイオメタン化プロセスは温度変化に非常に敏感です。この感度の程度は、原料が処理される温度範囲によって決まります。発酵プロセス中の温度は次の範囲内で変化します。

精神好性温度: 1 時間あたり± 2°C。
中温温度領域: 1 時間あたり ± 1°C。
好熱性温度範囲: 1 時間あたり ± 0.5°C。

実際には、好熱性と中温性の 2 つの温度領域がより一般的です。それぞれに独自の長所と短所があります。好熱性発酵プロセスの利点は、原料の分解速度が向上するため、バイオガスの収量が高くなるだけでなく、実用的であることです。完全な破壊原材料に含まれる病原菌。好熱性分解の欠点には次のようなものがあります。反応器内の原料を加熱するために必要な大量のエネルギー、最小限の温度変化に対する発酵プロセスの敏感さ、得られる製品の品質のわずかな低下バイオ肥料.

中温発酵モードでは、バイオ肥料の高いアミノ酸組成が維持されますが、原料の消毒は高温発酵モードほど完全ではありません。

栄養素の利用可能性

メタンバクテリアの成長と機能（バイオガス生成の助けを借りて）には、原料中に有機栄養素とミネラル栄養素が存在することが必要です。バイオ肥料の製造には、炭素と水素に加えて、十分な量の窒素、硫黄、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、および一部の微量元素（鉄、マンガン、モリブデン、亜鉛、コバルト、セレン、タングステン、ニッケルなど）が必要です。一般的な有機原料である動物の糞尿には、上記の元素が十分な量含まれています。

発酵時間

最適な発酵時間は、リアクターの装填量と発酵プロセスの温度によって異なります。発酵時間が短すぎると、発酵したバイオマスを取り出すときに細菌が増殖できるよりも早くリアクターから洗い流され、発酵プロセスが実質的に停止します。原料を反応器内に長時間保持すると、一定期間内に最大量のバイオガスとバイオ肥料を得るという目的を達成できなくなります。

最適な発酵時間を決定する際には、「反応器の所要時間」という用語が使用されます。反応器のターンアラウンドタイムは、反応器に装填された新鮮な原料が処理され、反応器から排出されるまでの時間です。

連続負荷を伴うシステムの場合、平均発酵時間は、反応器容積と原料の 1 日あたりの容積の比によって決まります。実際には、反応器の回転時間は、発酵温度と原料の組成に応じて次の間隔で選択されます。

精神好性の温度範囲: 30 日から 40 日以上。
中温温度体制: 10 ～ 20 日間。
好熱性温度管理: 5 ～ 10 日間。

原料負荷の 1 日あたりの投与量は反応器の回転時間によって決まり、反応器内の温度が上昇するにつれて増加します (バイオガス収量も同様)。反応器の所要時間が 10 日の場合、1 日あたりの装填割合は、装填される原料の総量の 1/10 になります。反応器の所要時間が 20 日の場合、1 日あたりの装填割合は装填される原料の総量の 1/20 になります。好熱性モードで動作する設備の場合、装填割合は反応器装填総体積の最大 1/5 まで可能です。

発酵時間の選択は、処理される原料の種類にも依存します。中温温度条件下で処理された以下の種類の原料の場合、バイオガスの大部分が放出される時間はおよそ次のとおりです。

牛の液体肥料: 10 ～ 15 日。

液体豚糞尿：9〜12日。
液体鶏糞：10〜15日。
植物廃棄物と混合した肥料：40〜80日。

酸塩基バランス

メタン生成細菌は、中性または弱アルカリ性の条件で生息するのに最も適しています。メタン発酵プロセスでは、バイオガス生成の第 2 段階は酸性細菌の活性段階です。このとき、pH値は低下し、環境はより酸性になります。

ただし、プロセスの通常の過程では、反応器内のさまざまな細菌グループの生命活動が同様に効果的であり、酸はメタン細菌によって処理されます。最適なpH値は6.5から8.5まで原料によって異なります。

リトマス試験紙を使用して、酸塩基平衡のレベルを測定できます。酸塩基バランスの値は、紙が発酵性原料に浸漬されたときに得られる色に対応します。

炭素と窒素の含有量

メタン発酵 (バイオガス放出) に影響を与える最も重要な要素の 1 つは、処理された原料中の炭素と窒素の比率です。 C/N 比が高すぎると、窒素不足がメタン発酵プロセスの制限要因として機能します。この比率が低すぎると、細菌にとって有毒となるほど大量のアンモニアが生成されます。

微生物は、細胞構造に同化するために窒素と炭素の両方を必要とします。さまざまな実験により、炭素対窒素の比率が 10 対 20 のときにバイオガス収量が最大になることが示されていますが、最適値は原料の種類によって異なります。高いバイオガス生産を達成するために、最適な C/N 比を達成するために原料の混合が行われます。

生物発酵性材料	窒素N(%)	炭素/窒素 C/N 比
A. 動物の糞尿
牛	1,7 - 1,8	16,6 - 25
チキン	3,7 - 6,3	7,3 - 9,65
馬	2,3	25
豚肉	3,8	6,2 - 12,5
羊	3,8	33
B. 野菜乾燥廃棄物
トウモロコシの穂軸	1,2	56,6
シリアルストロー	1	49,9
麦わら	0,5	100 - 150
トウモロコシのわら	0,8	50
オーツ麦わら	1,1	50
大豆	1,3	33
アルファルファ	2,8	16,6 - 17
ビートパルプ	0,3 - 0,4	140 - 150
C. その他
草	4	12
おがくず	0,1	200 - 500
落ち葉	1	50

原料水分の選定

原料中の代謝が妨げられないことは、バクテリアの活動が活発になるための必須条件です。これは、原料の粘度が液体とそれに含まれる固体の間で細菌や気泡が自由に移動できる場合にのみ可能です。農業廃棄物にはさまざまな固形粒子が含まれています。

砂、粘土などの固体粒子は堆積物の形成を引き起こします。軽い物質は原料の表面に浮き上がり、クラストを形成します。これはバイオガス生成の減少につながります。したがって、反応器に入れる前に植物残渣（わらなど）を徹底的に刻み、原料中に固形物が含まれないように努めることをお勧めします。

動物の種類	毎日の平均肥料の量、kg/日	肥料水分(%)	毎日の平均排泄物の数（kg/日）	排泄物水分(%)
牛	36	65	55	86
豚	4	65	5,1	86
鳥	0,16	75	0,17	75

1頭当たりのふん尿の量と水分量

施設の反応器に投入される原材料の湿度は、冬は少なくとも 85%、夏は 92% でなければなりません。原料の正しい水分含量を実現するために、肥料は通常希釈されます。お湯式によって決定される量: OB = Hx((B 2 - B 1): (100 - B 2))、ここで H は投入された肥料の量です。 B 1 は肥料の初期水分含有量、B 2 は原材料の必要な水分含有量、OB はリットル単位の水の量です。この表は、100 kg の肥料を湿度 85% と 92% に希釈するために必要な水の量を示しています。

肥料100kgあたり必要な水分量を達成するための水の量

定期的な撹拌

バイオガスプラントを効率的に運転し、反応器内の原料の発酵プロセスの安定性を維持するには、定期的な混合が必要です。混合の主な目的は次のとおりです。

生成されたバイオガスの放出。
新鮮な基質と細菌集団の混合 (接種):
地殻や堆積物の形成を防ぐ。
予防サイト異なる温度反応器の内部。
細菌集団の均一な分布を確保する:
反応器の有効面積を減少させる空隙や蓄積物の形成を防ぎます。

適切な混合方法と方法を選択するときは、発酵プロセスが異なる菌株間の共生であること、つまり、ある種の細菌が別の種の細菌に餌を与えることができることを考慮する必要があります。コミュニティが崩壊すると、新しいバクテリアのコミュニティが形成されるまで発酵プロセスは非生産的になります。したがって、頻繁すぎる、または長時間にわたる激しい撹拌は有害です。 4〜6時間ごとに原料をゆっくりとかき混ぜることをお勧めします。

プロセス阻害剤

発酵有機塊には、微生物の生命活動に悪影響を与える物質 (抗生物質、溶剤など) が含まれていてはなりません。それらはバイオガスの放出のプロセスを遅らせ、場合によっては停止させてしまいます。無機物質の中には微生物の「働き」に寄与しないものもありますので、例えば合成洗剤で洗濯した後の残り水を肥料の希釈に使用することはできません。

メタン生成の 3 つの段階に関与するさまざまな種類の細菌はそれぞれ、これらのパラメーターによって異なる影響を受けます。また、パラメータ間には密接な相互依存性があるため (たとえば、発酵のタイミングは温度に依存します)、生成されるバイオガスの量に対する各要因の正確な影響を判断することは困難です。

この記事の内容: バイオガスの使用の歴史。バイオガス組成; バイオガス中のメタン含有量を増やす方法。有機基質からバイオガスを生成する際の温度条件。バイオガスプラントの種類。バイオリアクターの形状と位置、およびバイオリアクター設備を自分の手で作成する際のその他の重要なポイントがいくつかあります。

私たちの生活の重要な要素の中に非常に重要エネルギー資源の価格はほぼ毎月上昇しています。毎年冬になると家計に穴が開き、暖房費、つまりボイラーや炉を加熱するための燃料の負担が発生します。しかし、どうすればよいでしょうか。電気、ガス、石炭、薪にはお金がかかり、主要なエネルギー幹線道路から家が離れれば離れるほど暖房費も高くなります。一方、代替暖房は、供給業者や料金に依存せず、バイオガスを利用して構築することができ、その生産には地質調査、井戸掘削、高価なポンプ装置は必要ありません。

バイオガスは実質的に家庭で入手でき、コストは最小限ですぐに回収できます。この問題については、この記事で多くの情報を見つけることができます。

バイオガス加熱 - 歴史

一年の暖かい季節に沼地で発生する可燃性ガスへの関心は、私たちの遠い祖先の間で生まれました。インド、中国、ペルシャ、アッシリアの先進文化では、3,000 年以上前にバイオガスの実験が行われました。同じ古代、ヨーロッパの部族では、アレマン人のシュヴァーベン人が、沼地に放出されるガスがよく燃えることに気づきました。彼らはそれを小屋の暖房に使用し、革製のパイプを通してガスを供給し、囲炉裏で燃やしました。シュヴァーベン人はバイオガスを「ドラゴンの息吹」と考え、沼地に生息すると信じていました。

何世紀、何千年も経って、バイオガスは 2 番目の発見を経験しました。17 世紀と 18 世紀に、2 人のヨーロッパの科学者がすぐにバイオガスに注目しました。当時の有名な化学者ヤン・バプティスタ・ファン・ヘルモントは、バイオマスの分解により可燃性ガスが発生することを確立し、有名な物理学者で化学者のアレッサンドロ・ボルタは、分解プロセスが行われるバイオマスの量と可燃性ガスの発生量との直接的な関係を確立しました。のバイオガスが放出されます。 1804 年に英国の化学者ジョンダルトンがメタンの式を発見し、その 4 年後に英国人のハンフリーデイビーがメタンが沼地のガスの一部であることを発見しました。

左：ヤン・バプティスタ・ファン・ヘルモント。右: アレッサンドロ・ボルタ

への関心実用化バイオガスはガス街灯の開発とともに生まれました - 19 世紀末、ある地区の街路でイギリスの都市エクセターは下水道から得られたガスで照らされました。

20 世紀、第二次世界大戦によって引き起こされたエネルギー需要により、ヨーロッパ人は代替エネルギー源を探すことを余儀なくされました。肥料からガスを生成するバイオガスプラントは、ドイツとフランス、そして一部の東ヨーロッパに広がりました。しかし、反ヒトラー連合諸国の勝利後、バイオガスは忘れ去られ、電力、天然ガス、石油製品が産業と国民のニーズを完全にカバーしました。

ソ連ではバイオガス製造技術は主に学術的な観点から検討されており、需要があるとは考えられていなかった。

今日、代替エネルギー源に対する考え方は劇的に変化しており、従来のエネルギー資源のコストが年々上昇しているため、代替エネルギー源が注目されるようになりました。本質的に、バイオガスは、古典的なエネルギー源の関税やコストを回避し、目的を問わず、十分な量の独自の燃料源を入手するための本当の方法です。

中国では最も多くのバイオガスプラントが建設され運営されており、中低出力のプラントが 4,000 万基あり、メタンの生産量は年間約 270 億立方メートルです。

バイオガス - それは何ですか?

これは、主にメタン (含有量 50 ～ 85%)、二酸化炭素 (含有量 15 ～ 50%)、およびその他のより少ない割合のガスで構成される混合ガスです。バイオガスは、バイオマスを餌とする 3 種の細菌のチームによって生成されます。加水分解細菌は、酸生成細菌の餌を生成し、酸生成細菌の餌を生成し、バイオガスを形成するメタン生成細菌に餌を提供します。

元の有機材料 (肥料など) の発酵は、その生成物がバイオガスとなり、外部雰囲気にアクセスすることなく行われ、嫌気性と呼ばれます。堆肥腐植と呼ばれる、このような発酵によるもう一つの生成物は、畑や菜園の肥料としてそれを使用する田舎の住民にはよく知られていますが、堆肥の山で生成されるバイオガスと熱エネルギーは通常は使用されず、無駄です。

メタン含有量の高いバイオガスの収量を決定する要因は何ですか?

まず第一に、それは温度によって異なります。環境の温度が高くなるほど、有機物を発酵させるバクテリアの活動が活発になりますが、氷点下の温度では発酵が遅くなるか、完全に停止します。このため、バイオガスの生産は、亜熱帯および熱帯に位置するアフリカおよびアジアの国々で最も一般的です。ロシアの気候において、バイオガスを取得し、代替燃料としてバイオガスに完全に切り替えるには、バイオリアクターの断熱と、外気の温度が氷点下に下がったときに有機物の塊に温水を導入する必要があります。

バイオリアクターに配置される有機材料は生分解性である必要があり、有機材料の質量の最大 90% に相当する量の水をその中に導入する必要があります。重要な点有機環境は中立であり、その組成には、洗剤や洗剤、抗生物質など、細菌の発生を防ぐ成分が含まれていません。バイオガスは、経済的および植物由来のほぼすべての廃棄物、廃水、肥料などから得ることができます。

有機物の嫌気性発酵プロセスは、pH 値が 6.8 ～ 8.0 の範囲にあるときに最も効果的に機能します。酸性度が高いと、細菌が酸を消費し、酸性度を中和する二酸化炭素の生成に忙しくなるため、バイオガスの生成が遅くなります。。

バイオリアクター内の窒素と炭素の比率は 1 対 30 として計算する必要があります。この場合、細菌は必要な量の二酸化炭素を受け取り、バイオガス中のメタン含有量が最も高くなります。

発酵性有機物の温度が 32 ～ 35 °C の範囲にある場合、メタン含有量が十分に高いバイオガスの最良の収率が達成されます。値が低くなるほど、または高くなると、バイオガス中の二酸化炭素の含有量が増加し、その品質が高くなります。減少します。メタンを生成する細菌は 3 つのグループに分類されます。好冷性、+5 ～ +20 °C の温度で効果的です。中温性で、温度範囲は+30〜+42°Cです。好熱性、+54 ～ +56 °C のモードで動作します。バイオガス消費者にとって、より高いガス収量で有機物を発酵させる中温菌と好熱菌は、最も興味深いものです。

中温発酵は、最適温度範囲から数度の温度変化の影響を受けにくく、バイオリアクター内の有機材料を加熱するために必要なエネルギーが少なくなります。好熱性発酵と比較した場合の欠点は、ガス収量が低いこと、有機基質の完全な処理に時間がかかること（約 25 日）、バイオリアクター内の温度が低いため 100% の発酵が保証されないため、結果的に分解された有機材料には有害な微生物相が含まれる可能性があることです。無菌性。

反応器内の温度を好熱性細菌が許容できるレベルに上げて維持すると、バイオガスの最大収量が確保され、有機物の完全な発酵が 12 日間で行われ、有機基質の分解生成物は完全に無菌になります。マイナスの特性: 好熱性細菌が許容できる温度範囲を 2 度超えると、ガス発生量が減少します。暖房の必要性が高く、その結果、莫大なエネルギーコストがかかります。

バイオリアクターの内容物は 1 日に 2 回撹拌する必要があります。撹拌しないと表面にクラストが形成され、バイオガスに対するバリアが形成されます。それを除去するだけでなく、撹拌することで有機塊内の温度と酸性度レベルを均一にすることができます。

連続サイクルバイオリアクターでは、発酵を経た有機物の搬出と、搬出された体積に等しい量の新しい有機物の搬入を同時に行うことで、最高のバイオガス収率が得られます。ダーチャ農場で通常使用される小型のバイオリアクターでは、発酵チャンバーの内容積の約 5% に相当する量の有機物を毎日抽出して追加する必要があります。

バイオガスの収量は、バイオリアクター内に配置された有機基質の種類に直接依存します (基質乾燥重量 kg あたりの平均データを以下に示します)。

馬糞尿はメタン含有量 57% の 0.27 m 3 のバイオガスを生成します。
牛の糞尿は 0.3 m 3 のバイオガスを生成し、メタン含有量は 65%。
新鮮な牛の糞尿は、メタン含有量 68% の 0.05 m 3 のバイオガスを生成します。
鶏の糞 - 0.5 m 3、その中のメタン含有量は60％になります。
豚糞尿 - 0.57 m 3、メタンの割合は 70% になります。
羊の糞尿 - メタン含有量 70% の 0.6 m 3;
小麦わら - 0.27 m 3、メタン含有量 58%。
トウモロコシわら - 0.45 m 3、メタン含有量 58%。
草 - 0.55 m 3、メタン含有量 70%。
木の葉 - 0.27 m 3、メタンの割合 58%。
脂肪 - 1.3 m 3、メタン含有量 88%。

バイオガスプラント

これらの装置は、反応器、有機物投入ホッパー、バイオガス排出口、発酵有機物排出ホッパーという主要な要素で構成されています。

設計の種類に応じて、バイオガスプラントには次の種類があります。

反応器内の発酵有機物を加熱したり撹拌したりすることなく、
加熱せずに、有機塊を撹拌しながら；
加熱および撹拌しながら。
加熱、撹拌、発酵プロセスの制御と管理を可能にする装置を備えています。

最初のタイプのバイオガスプラントは小規模農場に適しており、好冷性細菌用に設計されています。バイオリアクターの内容積は 1 ～ 10 m 3 (1 日あたり 50 ～ 200 kg の肥料を処理)、最小限の設備で、生成されるバイオガスは保管されない - すぐに消費者の手に渡ります家庭用器具。この設備は南部地域でのみ使用でき、内部温度は 5 ～ 20 °C になるように設計されています。発酵有機物の除去は新しいバッチの投入と同時に行われ、出荷はバイオリアクターの内容積以上のコンテナに入れて行われます。容器の内容物は、肥沃な土壌に導入されるまでその中に保管されます。

2番目のタイプの設計も小規模農場向けに設計されており、その生産性は最初のタイプのバイオガスプラントよりもわずかに高く、装置には手動または機械式駆動装置を備えた混合装置が含まれています。

3 番目のタイプのバイオガスプラントには、混合装置に加えてバイオリアクターの強制加熱が装備されており、温水ボイラーはバイオガスプラントで生成される代替燃料で稼働します。このような設備におけるメタンの生産は、反応器内の加熱強度と温度レベルに応じて、中温菌と好熱菌によって行われます。

バイオガスプラントの概略図: 1 - 基板加熱。 2 - フィラーネック; 3 — バイオリアクターの容量。 4 - ハンドミキサー。 5 - 凝縮水を収集するための容器。 6 - ガスバルブ。 7 - 処理された塊のためのタンク。 8 - 安全弁; 9 - フィルター。 10 - ガスボイラー。 11 - ガスバルブ。 12 - ガス消費者。 13 - ウォーターシール

最後のタイプのバイオガスプラントは最も複雑で、複数のバイオガス消費者向けに設計されており、プラントの設計には電気接触圧力計、安全弁、温水ボイラー、コンプレッサー (有機物の空気圧混合)、レシーバー、ガスタンク、ガスレデューサー、バイオガスを輸送に積み込むための出口。これらの設備は連続的に動作し、正確に調整可能な加熱により 3 つの温度条件のいずれかを設定でき、バイオガスの選択は自動的に実行されます。

DIYバイオガスプラント

バイオガスプラントで生成されるバイオガスの発熱量は約5,500kcal/m3であり、天然ガスの発熱量（7,000kcal/m3）より若干低くなります。 50 m 2 の住宅建物を暖房し、4 つのバーナーを備えたガスストーブを 1 時間使用するには、平均 4 m 3 のバイオガスが必要になります。

ロシア市場で提供されている産業用バイオガス生産プラントの価格は 20 万ルーブルからです。 — 一見高コストであるにもかかわらず、これらの設備は投入される有機基材の量に応じて正確に計算されており、メーカーの保証の対象となっていることに注目する価値があります。

バイオガスプラントを自分で作成したい場合は、さらに詳しい情報が役立ちます。

バイオリアクターの形態

最適な形状は楕円形（卵型）ですが、そのような原子炉を構築するのは非常に困難です。上部と下部が円錐または半円の形で作られている円筒形のバイオリアクターは、設計が容易です。レンガやコンクリートで作られた正方形または長方形の反応器は、時間の経過とともに基材の圧力によって隅に亀裂が生じ、硬化した有機破片も蓄積して発酵プロセスを妨げるため、効果がありません。

スチール製のバイオリアクタータンクは気密性が高く、高圧に耐えることができ、構築はそれほど難しくありません。欠点は耐錆性に劣ることで、内壁に樹脂などの保護コーティングを施す必要があります。スチール製バイオリアクターの外側は徹底的に洗浄し、2 層で塗装する必要があります。

コンクリート、レンガ、または石で作られたバイオリアクター容器は、効果的な水とガスの不透過性、約 60 °C の温度への耐久性、および硫化水素と有機酸の攻撃性を確保できる樹脂の層で内側を慎重にコーティングする必要があります。樹脂に加えて、リアクターの内面を保護するために、4％のモーターオイル（新品）または灯油で希釈し、120〜150℃に加熱したパラフィンを使用できます。バイオリアクターの表面はバーナーで加熱する必要がありますパラフィン層を適用する前に。

バイオリアクターを作成するときは、錆びにくいプラスチック製の容器を使用できますが、壁が十分に強い硬い容器のみを使用できます。柔らかいプラスチックは、寒い季節が始まると断熱材を取り付けるのが難しく、壁が十分に強くないため、暖かい季節にのみ使用できます。プラスチック製バイオリアクターは、有機物の低温発酵にのみ使用できます。

バイオリアクターの場所

その配置は、敷地内の空きスペース、住宅建物からの距離、廃棄物や動物の位置などに応じて計画されます。地上ベースの完全または部分的に水没したバイオリアクターの計画は、地下水位、立ち入りの利便性、および地下水の利便性によって決まります。有機基質を出て容器反応器に入る。反応容器を地表より下に設置するのが最適です。有機基質を導入するための設備が節約され、断熱性が大幅に向上するため、安価な材料（わら、粘土）を確実に使用できます。

バイオリアクター装置

原子炉タンクには修理や保守作業に使用できるハッチが取り付けられていなければなりません。バイオリアクター本体とハッチカバーの間にゴムガスケットまたはシーラントの層を置く必要があります。バイオリアクターに温度、内圧、有機基質レベルのセンサーを装備することはオプションですが、非常に便利です。

バイオリアクターの断熱材

これがなければ、バイオガスプラントは一年中稼働できず、暖かい季節にのみ稼働することになります。埋設または半埋設のバイオリアクターを断熱するには、粘土、わら、乾燥肥料、スラグが使用されます。断熱材は層状に敷かれます。埋め込み反応器を設置する場合、ピットはPVCフィルムの層で覆われ、断熱材が土壌と直接接触するのを防ぎます。バイオリアクターを設置する前に、ピットの底にわらを注ぎ、その上に粘土の層を置き、その後バイオリアクターを設置します。この後、反応器タンクとPVCフィルムで裏打ちされたピットの間のすべての空き領域をタンクのほぼ端までわらで満たし、その上にスラグを混合した粘土の層300 mmを注ぎます。

有機基板の搬入出

バイオリアクターへの搬入および搬出用のパイプの直径は少なくとも 300 mm でなければなりません。そうしないと詰まります。反応器内の嫌気状態を維持するために、それぞれの反応器にはスクリューまたは半回転バルブが装備されている必要があります。有機物を供給するためのバンカーの容積は、バイオガスプラントの種類に応じて、一日の投入原料量と等しくなければなりません。導入された有機基質の温度が上昇し、発酵プロセスが加速されるため、フィードホッパーはバイオリアクターの日当たりの良い側に配置する必要があります。バイオガスプラントが農場に直接接続されている場合は、有機基質が重力の影響下でバイオガスプラントに入るように、バンカーをその構造の下に配置する必要があります。

有機基質の搬入出用のパイプラインはバイオリアクターの反対側に配置する必要があります。この場合、投入原料は均等に分配され、発酵した有機物は重力と質量の影響下で容易に抽出されます。新鮮な基質の。有機物を積み降ろすためのパイプラインの穴開けと設置は、設置場所にバイオリアクターを設置する前、およびその上に断熱層を配置する前に完了する必要があります。バイオリアクターの内部容積の気密性は、パイプの入り口が鋭角に配置されている一方で、リアクター内の液体レベルがパイプの入り口点よりも高いという事実によって達成されます。つまり、油圧シールが空気のアクセスをブロックします。

新しい部分を導入し、発酵した有機材料を除去する最も簡単な方法は、オーバーフロー原理によるものです。つまり、新しい部分を導入するときに反応器内の有機物のレベルを上げると、基質がアンローディングパイプを通じて、反応器の体積と同じ体積で除去されます。紹介された資料。

有機物の迅速なローディングが必要であり、リリーフの不完全性により重力による物質の導入効率が低い場合は、ポンプの設置が必要になります。ポンプをローディングパイプ内に設置し、垂直パイプを通ってポンプに入り、有機物をポンプによって汲み上げる乾式方式と、ポンプによって有機物が汲み上げられる方式があります。湿式ポンプでは、ポンプがローディングホッパーに取り付けられており、その駆動は同じくホッパー内（不浸透性ハウジング内）に取り付けられたモーターによって、またはシャフトを通じて実行され、モーターはホッパーの外側に取り付けられています。

バイオガスの集め方

このシステムには、ガスを消費者に分配するガスパイプライン、遮断弁、凝縮水収集タンク、安全弁、レシーバー、コンプレッサー、ガスフィルター、ガスタンク、およびガス消費装置が含まれます。システムの設置は、バイオリアクターがその場所に完全に設置された後にのみ実行されます。

バイオガスを収集するための出力は、ほとんどの場合に行われます。最高点反応器には、次のものが直列に接続されています。凝縮液を収集するための密閉容器。安全弁とウォーターシール - 水の入った容器、ガスパイプラインの入口は水位より下、出口は上にあります（水が内部に浸透しないように、ウォーターシールの前のガスパイプラインパイプを曲げる必要があります）反応器）、ガスが逆方向に移動することはできません。

有機基質の発酵中に生成されるバイオガスには大量の水蒸気が含まれており、ガスパイプラインの壁に沿って凝縮水を形成し、場合によっては消費者へのガスの流れを妨げます。凝縮水が流れる原子炉に向かって全長に沿って傾斜があるようにガスパイプラインを建設することは困難であるため、各パイプラインの下部に水を入れた容器の形でウォーターシールを設置する必要があります。セクション。バイオガスプラントの運転中、定期的にプラントから水を一部除去する必要があります。そうしないと、そのレベルでガスの流れが完全に遮断されてしまいます。

ガスパイプラインは同じ直径、同じタイプのパイプで構築する必要があり、システムのすべてのバルブと要素も同じ直径でなければなりません。直径 12 ～ 18 mm の鋼管は、低出力および中出力のバイオガスプラントに適しています。これらの直径のパイプを通じて供給されるバイオガスの流量は、1 m 3 / h (流量 0.5 m 3 / の場合) を超えてはなりません。 h、長さ 60 メートルを超える場合は直径 12 mm のパイプの使用）。ガスパイプラインでプラスチックパイプを使用する場合も同じ条件が当てはまります。さらに、プラスチックは太陽光に弱く、日射の影響で強度が低下するため、これらのパイプは地表から 250 mm の深さに敷設する必要があります。

ガスパイプラインを敷設するときは、漏れがないこと、および接合部が気密であることを注意深く確認する必要があります。チェックは石鹸液で行われます。

ガスフィルター

バイオガスには少量の硫化水素が含まれており、硫化水素と水が結合すると、金属を積極的に腐食させる酸が生成されます。このため、ろ過されていないバイオガスは内燃エンジンには使用できません。一方、硫化水素は、金属と木の削りくずの乾燥混合物を充填した 300 mm のガス管という単純なフィルターを使用してガスから除去できます。 2,000 m 3 のバイオガスがこのようなフィルターを通過するたびに、その内容物を抽出し、屋外に約 1 時間保管する必要があります。削りくずからは硫黄が完全に除去され、再利用できます。

遮断継手およびバルブ

メインガスバルブはバイオリアクターのすぐ近くに設置されており、0.5 kg/cm 2 以上の圧力でバイオガスを放出するには、バルブをガスパイプラインに挿入する必要があります。ガスシステムに最適なバルブはクロムメッキのボールバルブです。配管システム用に設計されたバルブをガスシステムに使用することはできません。各ガス消費者にボールバルブを取り付けることが義務付けられています。

機械的撹拌

少量のバイオリアクターには、手動ミキサーが最適です。設計がシンプルで、操作中に特別な条件を必要としません。機械駆動のミキサーは次のように設計されています。水平または垂直のシャフトが中心軸に沿ってリアクター内に配置され、それに取り付けられたブレードが回転すると、発酵基質が存在する領域からバクテリアが豊富な有機物の塊を移動させます。新鮮な部分が積み込まれる場所に降ろされます。注意してください - ミキサーは、荷降ろしエリアから荷積みエリアへの混合の方向にのみ回転する必要があります。メタン生成細菌が成熟した基質から新たに受け取った基質に移動すると、有機物の成熟とバイオガスの生成が促進されます。メタン含有量が高い。

有機基質はバイオリアクター内でどのくらいの頻度で混合する必要がありますか? バイオガスの収量に焦点を当て、観察によって頻度を決定する必要があります。過度に頻繁に撹拌すると、バクテリアの活動が妨げられるため発酵が中断され、さらに未処理の有機物の放出を引き起こす可能性があります。平均して、撹拌間の時間間隔は 4 ～ 6 時間である必要があります。

バイオリアクター内の有機基質の加熱

加熱しないと、リアクターは好冷モードでのみバイオガスを生成できるため、高温の中温および好熱運転モードよりも生成されるガスが減り、肥料の品質が低下します。基板は 2 つの方法で加熱できます。蒸気加熱。有機物を熱水と混合するか、熱水が循環する熱交換器を使用して加熱します（有機物と混合せずに）。

蒸気加熱 (直接加熱) の重大な欠点は、バイオガスプラントに蒸気発生システムを組み込む必要があることです。このシステムには、バイオガスプラント内に存在する塩から水を浄化するシステムが含まれています。蒸気発生プラントは、廃水などの大量の基質を処理する非常に大規模な設備にのみ有益です。また、蒸気による加熱では有機物の加熱温度を正確に制御することができず、過熱する可能性があります。

バイオリアクタープラントの内部または外部にある熱交換器は、リアクター内の有機物を間接的に加熱します。床（基礎）を介して暖房するオプションはすぐに破棄する必要があります。固体堆積物バイオリアクターの底でそれを防ぎます。最良の選択肢は反応器内に熱交換器を挿入することですが、熱交換器を形成する材料は十分に強く、混合時の有機物の圧力に十分耐えられるものでなければなりません。熱交換器の面積が大きくなると、有機物がより良く、より均一に加熱され、発酵プロセスが改善されます。外部加熱は壁からの熱損失により効率は劣りますが、バイオリアクター内には基質の移動を妨げるものがないため魅力的です。

熱交換器内の最適温度は約 60 °C である必要があり、熱交換器自体はラジエーターセクション、コイル、および平行に溶接されたパイプの形で作られています。冷却液の温度を 60 °C に維持すると、熱交換器の壁に付着する浮遊粒子の脅威が軽減され、粒子が蓄積すると熱伝達が大幅に低下します。熱交換器の最適な位置は混合ブレードの近くであり、この場合、熱交換器の表面に有機粒子が沈降する危険は最小限に抑えられます。

バイオリアクターの加熱パイプラインは、従来の加熱システムと同様に設計および装備されています。つまり、冷却水をシステムの最低点に戻す条件が満たされている必要があり、その最高点には空気放出バルブが必要です。バイオリアクター内の有機物の温度は、リアクターに装備されている温度計によって制御されます。

バイオガスを収集するためのガスタンク

ガス消費量が一定であるため、ガス圧力を均一にするために使用できない限り、それらは必要ありません。これにより、燃焼プロセスが大幅に改善されます。低容量のバイオリアクタープラントの場合、並列接続できる大容量の自動車用チャンバーがガスホルダーとして適しています。

特定のバイオリアクターの設置には、スチール製またはプラスチック製のより本格的なガスタンクが選択されます。最良の場合、ガスタンクは毎日生成されるバイオガスの量に対応する必要があります。ガスタンクに必要な容量は、その種類と設計の圧力によって異なりますが、一般に、その体積はバイオリアクターの内容積の 1/5 ～ 1/3 です。

スチール製ガスタンク。スチール製ガスタンクには 3 つのタイプがあります。低圧、０．０１から０．０５ｋｇ／ｃｍ２。平均、8〜10kg/cm2。最大 200 kg/cm 2 まで。低圧鋼製のガスタンクを使用するのは現実的ではありません。プラスチック製のガスタンクに置き換えるほうが良いでしょう。これらのタンクは高価であり、バイオガスプラントと消費者機器の間にかなりの距離がある場合にのみ適用できます。低圧ガスタンクは主に、毎日のバイオガス生産量と実際の消費量の差を均等にするために使用されます。

バイオガスはコンプレッサーによって中圧および高圧の鋼製ガスタンクにポンプで送られ、中型および大容量のバイオリアクターでのみ使用されます。

ガスタンクには、安全弁、水シール、減圧装置、圧力計などの制御および測定装置が装備されていなければなりません。スチール製ガスタンクは接地する必要があります。

トピックに関するビデオ

この技術は新しいものではありません。この問題は 18 世紀に遡り、化学者ヤンヘルモントが肥料から可燃性ガスが発生することを発見しました。

彼の研究はアレッサンドロ・ボルタとハンフリー・デイビーによって引き継がれ、ガス混合物中にメタンを発見しました。 19 世紀末のイギリスでは、肥料から得たバイオガスが街灯に使用されました。 20 世紀半ばに、メタンとその前駆物質を生成する細菌が発見されました。

実際には、3 つのグループの微生物が肥料の中で交互に働き、以前のバクテリアの老廃物を食べます。最初に働き始めるのは酢酸生成菌で、スラリー中の炭水化物、タンパク質、脂肪を溶解します。

嫌気性微生物による栄養供給の処理後、メタン、水、二酸化炭素が生成されます。水が存在するため、この段階のバイオガスは燃焼できません。精製が必要なため、処理施設を通過します。

バイオメタンとは

肥料バイオマスの分解の結果として得られるガスは、天然ガスの類似物です。空気の2倍近く軽いので常に上昇していきます。これは人工生産技術を説明しています。物質を放出して蓄積できるように上部に自由空間が残されており、そこから自分の必要に応じて物質が汲み出されます。

メタンは発生に強い影響を与える温室効果- 二酸化炭素よりはるかに多い - 21倍。したがって、ふん尿処理技術は経済的であるだけでなく、動物の排泄物を処理する環境に優しい方法でもあります。

バイオメタンは次のニーズに使用されます。

料理;

自動車の内燃機関。

民家の暖房用。

バイオガスは大量の熱を発生します。 1立方メートルは1.5kgの石炭の燃焼に相当します。

バイオメタンはどのように生成されるのですか?

肥料だけでなく、藻類、植物、脂肪、その他の動物の排泄物、魚屋の原材料の加工残渣からも得られます。原料物質の品質とそのエネルギー容量に応じて、ガス混合物の最終的な収量は異なります。

得られるガスの最小量は、牛糞尿 1 トンあたり 50 立方メートルです。最大 - 動物性脂肪処理後 1,300 立方メートル。メタン含有量は最大90％です。

生物学的ガスの 1 つのタイプは埋立地ガスです。これは、郊外の埋め立て地でのゴミの分解中に形成されます。西側諸国には、国民からの廃棄物を処理して燃料に変える装置がすでにあります。ビジネスの一種として、リソースは無限です。

その原材料ベースには次のものが含まれます。

食品業界;

畜産。

養鶏。

漁業および加工工場。

乳製品;

アルコール飲料および低アルコール飲料の製造。

どの業界でも廃棄物の処理を余儀なくされていますが、その廃棄物は費用がかかり、不採算です。自宅では、小さな自家製の設備の助けを借りて、いくつかの問題を一度に解決できます。家の無料暖房、肥料処理で残った高品質の栄養素で土地を肥やす、スペースを解放する、臭気を除去するなどです。

バイオ燃料製造技術

バイオガスの生成に関与するすべての細菌は嫌気性です。つまり、機能するために酸素を必要としません。これを行うために、完全に密閉された発酵容器が構築され、その出口パイプも外部からの空気が通過することはできません。

原液をタンクに注ぎ、必要な温度まで温度を上げるとバクテリアが活動を始めます。メタンが放出され始め、スラリーの表面から上昇します。特別なピローまたはタンクに送られ、その後濾過されてガスシリンダーに送られます。

バクテリアからの液体廃棄物は底に蓄積され、そこから定期的に汲み出され、また保管のために送られます。この後、肥料の新しい部分がタンクにポンプで注入されます。

細菌が機能する温度レジーム

肥料をバイオガスに加工するには、バクテリアが活動するのに適した条件を作り出す必要があります。それらのいくつかは30度を超える温度で活性化されます-中温性。同時に、プロセスは遅くなり、最初の製品が得られるのは 2 週間後になります。

好熱菌は50度から70度の温度で活動します。肥料からバイオガスを得るのに必要な時間は 3 日に短縮されます。この場合、廃棄物は発酵汚泥であり、畑で農作物の肥料として使用されます。汚泥には病原性微生物、蠕虫、雑草が存在せず、高温にさらされると死滅します。

90度に加熱された環境でも生存できる特殊なタイプの好熱性細菌が存在します。これらは発酵プロセスをスピードアップするために原料に添加されます。

温度の低下は、好熱性細菌または中温性細菌の活動の低下につながります。一般家庭では、液体を特別に加熱する必要がなく、ガスの生産が安価であるため、葉肉がより頻繁に使用されます。その後、最初のバッチのガスを受け取ると、それを使用して好熱性微生物で反応器を加熱できます。

重要！メタン生成菌は急激な温度変化に耐えられないため、冬には常に暖かく保つ必要があります。

反応器に注入する原料の準備方法

肥料からバイオガスを生成するには、動物の排泄物中にすでに微生物が含まれているため、液体に微生物を特別に導入する必要はありません。温度を維持し、適時に新しい肥料溶液を追加するだけです。正しく準備する必要があります。

溶液の湿度は90％（液体サワークリームの濃度）である必要があります。したがって、ウサギの糞、馬の糞、羊の糞、ヤギの糞など、乾燥したタイプの排泄物は最初に水で満たされます。純粋な形の豚糞尿には大量の尿が含まれているため、希釈する必要はありません。

次のステップは、固形肥料を分解することです。画分が細かいほど、バクテリアが混合物をよりよく処理し、より多くのガスが放出されます。 この目的のために、設備では常時稼働する撹拌機が使用されます。液体の表面に硬い皮が形成されるリスクを軽減します。

酸性度が最も高いタイプの肥料は、バイオガス生産に適しています。それらはコールドポークおよびカウとも呼ばれます。酸性度が低下すると微生物の活動が停止するため、微生物がタンクの容積を完全に処理するのにどのくらいの時間がかかるかを最初に監視する必要があります。その後、次の用量を追加します。

ガス精製技術

肥料をバイオガスに処理すると、次のことが得られます。

70% メタン。

30% 二酸化炭素;

硫化水素およびその他の揮発性化合物の不純物が 1% 含まれています。

バイオガスを農場での使用に適したものにするためには、不純物を除去する必要があります。硫化水素を除去するには、特殊なフィルターが使用されます。実際のところ、揮発性硫化水素化合物は水に溶解すると酸を形成します。パイプやタンクが金属製の場合、壁に錆が発生する原因となります。

生成されたガスは 9 ～ 11 気圧の圧力下で圧縮されます。

それは水の貯留槽に供給され、そこで不純物が液体に溶解されます。

工業規模では、石灰や活性炭、および特殊なフィルターが洗浄に使用されます。

水分含有量を減らす方法

ガス中の水の不純物を自分で取り除く方法はいくつかあります。 その1つは密造酒蒸留器の原理です。冷たいパイプはガスを上向きに送ります。液体が凝縮して流れ落ちます。これを行うために、パイプは地下に敷設され、そこで温度が自然に下がります。上昇するにつれて温度も上昇し、乾燥したガスが貯蔵施設に入ります。

2 番目のオプションはウォーターシールです。排出された後、ガスは水の入った容器に入り、そこで不純物が除去されます。この方法は 1 段階と呼ばれ、水を使用してバイオガスからすべての揮発性物質と水分を即座に除去します。

ウォーターシール原理

バイオガスの生成にはどのような設備が使用されますか?

農場の近くに設置する予定の場合、別の場所に簡単に持ち運べる折りたたみ式の構造が最適です。この設備の主な要素はバイオリアクターで、そこに原料が注入されて発酵プロセスが行われます。 大企業はタンクを使用しています体積50立方メートル。

民間の農場では、バイオリアクターとして地下貯水池が建設されます。それらは準備された穴にレンガで配置され、セメントでコーティングされます。コンクリートは構造物の安全性を高め、空気の侵入を防ぎます。その量は、1日に家畜から得られる原料の量によって異なります。

Surface システムは家庭でも人気があります。必要に応じて、据え付けの地下原子炉とは異なり、この設備を分解して別の場所に移動することができます。 プラスチック、金属、またはポリ塩化ビニルのバレルがタンクとして使用されます。

コントロールの種類ごとに次のものがあります。

廃棄原料の充填と汲み出しが人間の介入なしに実行される自動ステーション。

機械式では、プロセス全体が手動で制御されます。

ポンプを使用すると、発酵後の廃棄物が落ちるタンクを簡単に空にすることができます。職人の中には、ポンプを使用してクッション (車のインナーチューブなど) から処理施設にガスを送り込む人もいます。

肥料からバイオガスを生成するための自家製設備のスキーム

敷地内にバイオガスプラントを建設する前に、原子炉の爆発を引き起こす可能性のある潜在的な危険性についてよく理解しておく必要があります。 主な条件は酸素の欠如です。

メタンは爆発性ガスであり、発火する可能性がありますが、そのためには 500 度以上に加熱する必要があります。バイオガスが空気と混合すると過圧が発生し、反応器が破壊されます。コンクリートにひび割れが発生し、その後の使用に適さなくなる可能性があります。

ビデオ: 鳥の糞からのバイオガス

圧力によって蓋が剥がれるのを防ぐために、カウンターウェイト、つまり蓋とタンクの間に保護ガスケットを使用してください。 コンテナは完全に満たされていません - 少なくとも満たされている必要がありますガス放出量の 10%。より良い - 20%。

したがって、すべての付属品を備えたバイオリアクターをサイトに作成するには、次のことを行う必要があります。

住宅地から離れた場所を選ぶのが良いでしょう（わかりませんが）。

動物が毎日生産する肥料の推定量を計算します。数え方 - 以下をお読みください。

積み込みパイプと積み下ろしパイプ、および生成されるガス中の水分を凝縮するためのパイプを敷設する場所を決定します。

廃液タンク（デフォルトでは肥料）の位置を決定します。

原料の量を計算して穴を掘ります。

肥料の貯蔵庫となる容器を選択し、ピットに設置します。コンクリート製の原子炉が計画されている場合、ピットの底はコンクリートで満たされ、壁はレンガで裏打ちされ、コンクリートモルタルで塗りつぶされます。この後、時間をかけて乾燥させる必要があります。

反応器と配管の間の接続もタンクを敷設する段階で密閉されます。

原子炉を点検するためのハッチを装備する。シールされたガスケットがその間に配置されます。

気候が寒い場合は、コンクリートを打ったり、ポリタンクを設置したりする前に、タンクを温める方法を検討してください。 これらは、「暖かい床」技術で使用される加熱装置またはテープである可能性があります。

作業の最後に、反応器に漏れがないか確認してください。

ガス量計算

1トンの肥料から約100立方メートルのガスが得られます。質問: ペットは 1 日にどのくらいの量のトイレ砂を出しますか?

鶏肉 – 1日あたり165 g。

牛 – 35kg;

ヤギ – 1 kg;

馬 – 15kg;

羊 – 1 kg。

豚 – 5kg。

これらの数字に頭の数を掛けると、1 日に処理される排泄物の量が求められます。

牛や豚からはさらに多くのガスが発生します。トウモロコシ、ビートトップ、キビなどのエネルギーの強い植物を混合物に加えると、バイオガスの量が増加します。湿地の植物と藻類には大きな可能性があります。

最も高いのは食肉加工工場からの廃棄物です。近くにそのような農場があれば、協力して全員に一台の原子炉を設置することができます。 バイオリアクターの投資回収期間は 1 ～ 2 年です。

ガス生産後のバイオマス廃棄物

反応器内で肥料を処理した後、副産物として生物汚泥が生成されます。廃棄物の嫌気性処理中に、バクテリアは有機物の約 30% を溶解します。残りは変更せずにリリースされます。

この液状物質もメタン発酵の副産物であり、農業根のドレッシング用。

二酸化炭素は、バイオガス生産者が除去しようと努めている廃棄物部分です。 しかし、水に溶かすと、この液体も効果があります。

バイオガスプラント製品をフル活用

肥料を処理した後に得られる製品を完全に利用するには、温室を維持する必要があります。まず第一に - 有機肥料年間を通じて野菜の栽培が可能で、収量が安定します。

第二に、二酸化炭素は根または葉の肥料として使用され、その生産量は約 30% です。 植物は空気から二酸化炭素を吸収し、同時により良く成長し、緑の塊を増やします。この分野の専門家に相談すれば、二酸化炭素を液体から揮発性物質に変換する装置の設置を手伝ってくれるでしょう。

ビデオ: 2 日でバイオガスを実現

実際、畜産場を維持するには、特に納屋や豚小屋の暖房が必要ない夏には、大量のエネルギー資源が得られます。

したがって、別の収益性の高い活動、つまり環境に優しい温室に従事することをお勧めします。残りの製品は、同じエネルギーを使用して冷蔵室で保管できます。冷蔵庫やその他の機器は、ガスバッテリーで生成された電力で動作します。

肥料として使用する

ガスの生成に加えて、バイオリアクターは廃棄物が貴重な肥料として使用され、ほとんどすべての窒素とリン酸塩が保持されるため有用です。肥料を土壌に加えると、窒素の 30 ～ 40% が回復不能に失われます。

窒素物質の損失を減らすために、新鮮な排泄物が土壌に追加されますが、放出されたメタンは植物の根系にダメージを与えます。肥料を処理した後、メタンはそれ自体の必要に応じて使用され、すべての栄養素が保存されます。

発酵後、カリウムとリンはキレート化されて植物に 90% 吸収されます。 一般的に見てみると、 1 トンの発酵肥料で 70 ～ 80 トンの通常の動物の排泄物を置き換えることができます。

嫌気性処理により、肥料に含まれる窒素がすべてアンモニウムの形に変換され、保存されるため、あらゆる作物の収量が 20% 増加します。

この物質は根系にとって危険ではなく、作物を植える2週間前に適用できます。開けた地面そのため、今度は有機物が土壌好気性微生物によって処理される時間が確保されます。

使用前に、バイオ肥料は水で希釈されます。 1:60の比率で。 乾燥画分と液体画分の両方がこれに適しており、発酵後に廃棄原料タンクに送られます。

ヘクタールあたり、700〜1,000 kg/lの原液肥料が必要です。 反応器面積 1 立方メートルから 1 日あたり最大 40 kg の肥料が得られることを考えると、有機物を販売することで、1 か月以内に自分の土地だけでなく、近所の土地にも肥料を提供することができます。

肥料を処理するとどのような栄養素が得られるのでしょうか？

肥料としての発酵肥料の主な価値は、殻のようにカリウムとリンのイオンを保持するフミン酸の存在です。長期保存中に空気中で酸化すると、微量元素はその有益な性質を失いますが、嫌気処理中には逆に有益な性質が得られます。

フミン酸塩は土壌の物理的および化学的組成に良い影響を与えます。有機物を添加すると、最も重い土壌でも水分の浸透性が高まります。さらに、有機物は土壌バクテリアの餌となります。嫌気性菌に食べられなかった残留物をさらに処理し、フミン酸を放出します。このプロセスの結果、植物は完全に吸収される栄養素を受け取ります。

主要なものである窒素、カリウム、リンに加えて、バイオ肥料には微量元素が含まれています。しかし、それらの量は原料、つまり植物または動物由来によって異なります。

汚泥の保管方法

発酵肥料は乾燥させて保管するのが最善です。これにより、梱包や輸送がより便利になります。乾物の損失が少ない有益な特性閉じた状態で保管できます。このような肥料は一年を通してまったく劣化しませんが、その後は袋や容器に密封する必要があります。

液体の場合は、窒素の漏出を防ぐために、しっかりと蓋が閉まった容器に保管する必要があります。

バイオ肥料生産者の主な問題は、植物が休眠する冬場のマーケティングです。世界市場では、この品質の肥料の価格は 1 トンあたり 130 ドル前後で変動します。濃縮物を包装するラインを設置すれば、反応器の代金を 2 年以内に支払うことができます。

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バイオガスガスの出力。 バイオガスプラント: 有機廃棄物を永久にリサイクルします。 家畜および家禽の廃棄物