Биогазовая установка: переработка органических отходов с пользой. Сырье для биогаза Бактерии для производства биогаза

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

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

Таблица4. Шкала материалов для биогазового реактора из сборных железобетонных панелей

Таблица5. Шкала материалов для биогазового реактора из монолитного бетона

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:

Экология потребления.Усадьба: Выгодно ли производить биотопливо в домашних условиях в малых количествах в личном подсобном хозяйстве? Если у вас есть несколько металлических бочек и прочего железного хлама, а также бездна свободного времени и вы не знаете, как им распорядиться - да.

Предположим, природного газа в вашей деревне не было и не будет. А даже если есть, он денег стоит. Хотя и на порядок дешевле, чем разорительное отопление электричеством и жидким топливом. Ближайший цех по производству пеллет находится в паре сотен километров, везти накладно. Дрова купить с каждым годом всё сложнее, да и топить ими хлопотно. На этом фоне весьма заманчиво выглядит идея получать дармовой биогаз на собственном подворье из сорняков, куриного помёта, навоза от любимой свинки или содержимого хозяйского нужника. Достаточно лишь смастерить биореактор! По телевизору рассказывают, как экономные немецкие фермеры согревают себя «навозными» ресурсами и никакой «Газпром» им теперь не нужен. Вот уж где справедлива поговорка «с фекалий плёнку снимет». Интернет пестрит статьями и роликами на тему «биогаз из биомасс» и «биогазовая установка своими руками». Но о практическом применении технологии у нас мало что известно: про производство биогаза в домашних условиях говорят все, кому не лень, но конкретные примеры в деревне, так же, как и легендарный Ё-Мобиль на дороге, мало кто видел живьём. Попробуем разобраться, почему это так и каковы перспективы прогрессивных биоэнергетических технологий на селе.

Что такое биогаз + немного истории

Биогаз образуется в результате последовательного трёхступенчатого разложения (гидролиз, кислото- и метанообразование) биомассы различными видами бактерий. Полезная горючая составляющая - метан, может присутствовать также водород.

Процесс бактериального разложения, в результате которого образуется горючий метан

В большей или меньшей степени горючие газы образуются в процессе разложения любых остатков животного и растительного происхождения.

Ориентировочный состав биогаза, конкретные пропорции составляющих зависят от применяемых сырья и технологии

Люди издавна пытаются использовать этот вид природного топлива, в средневековых хрониках содержатся упоминания о том, что жители низменных районов нынешней Германии ещё тысячелетие назад получали биогаз из гниющей растительности, погружая в болотную жижу кожаные мехи. В тёмные средние века и даже просвещённые столетия наиболее талантливые метеористы, благодаря специально подобранной диете умевшие пустить и вовремя поджечь обильный метановый flatus, вызывали неизменный восторг публики на весёлых ярмарочных представлениях. Промышленные биогазовые установки с переменным успехом начали строить с середины XIX века. В СССР в 80-е годы прошлого века была принята, но не реализована госпрограмма по развитию отрасли, хотя с десяток производств всё же запустили. За рубежом технология получения биогаза совершенствуется продвигается относительно активно, общее число работающих установок исчисляется десятками тысяч. В развитых странах (ЕЭС, США, Канада, Австралия) это высокоавтоматизированные крупные комплексы, в развивающихся (Китай, Индия) - полукустарные биогазовые установки для дома и небольшого крестьянского хозяйства.

Процентное соотношение числа биогазовых установок в странах Евросоюза. Отчётливо видно, что технология активно развивается только в Германии, причина - солидные государственные дотации и налоговые льготы

Какое применение находит биогаз

Понятно, что в качестве топлива, раз он горит. Отопление производственных и жилых зданий, генерация электроэнергии, приготовление пищи. Однако не всё так просто, как показывают в роликах, разбросанных по ютюбу. Биогаз должен стабильно гореть в теплогенерирующих установках. Для этого его параметры газовой среды необходимо привести к довольно жёстким стандартам. Содержание метана должно быть не ниже 65% (оптимум 90-95%), водород отсутствовать, водяные пары выведены, углекислый газ удалён, оставшиеся составляющие инертны к высоким температурам.

Использовать биогаз «навозно-животного» происхождения, не освобождённый от зловонных примесей, в жилых домах невозможно.

Нормируемое давление - 12,5 бар, при значении менее 8-10 бар автоматика в современных моделях отопительного оборудования и кухонного оборудования прекращает подачу газа. Очень важно, чтобы характеристики поступающего в теплогенератор газа были стабильными. В случае скачка давления за пределы нормы сработает клапан, включать обратно придётся вручную. Плохо, если используются устаревшие газовые приборы, не оснащённые системой газ-контроля. В лучшем случае может выйти из строя горелка отопительного котла. Худший вариант - газ потухнет, но его поступление не прекратится. А это уже чревато трагедией. Обобщим сказанное: характеристики биогаза необходимо привести к необходимым параметрам, а технику безопасности соблюдать неукоснительно. Упрощённая технологическая цепочка получения биогаза. Важный этап - сепарация и газоотделение

Какое сырьё используют для получения биогаза

Растительное и животное сырьё

• Растительное сырьё отлично подходит для производства биогаза: из свежей травы можно получить максимальный выход топлива - до 250 м3 на тонну сырья, содержание метана до 70%. Несколько меньше, до 220 м3 можно получить из кукурузного силоса, до 180 м3 из свекольной ботвы. Пригодны любые зелёные растения, хороши водоросли, сено (100 м3 из тонны), но пускать ценные корма на топливо имеет смысл лишь при их явном избытке. Невелик выход метана из жома, образующегося при изготовлении соков, масел и биодизеля, но и материал дармовой. Недостаток растительного сырья - длительный производственный цикл, 1,5-2 месяца. Можно получать биогаз и из целлюлозы, других медленно разлагающихся растительных отходов, но эффективность крайне низкая, метана образуется мало, производственный цикл очень длительный. В заключение скажем, что растительное сырьё обязательно должно быть мелко измельчено.
• Сырьё животного происхождения: традиционные рога и копыта, отходы молокозаводов, боен и перерабатывающих предприятий также пригодно и тоже в измельчённом виде. Самая богатая «руда» - животные жиры, выход высококачественного биогаза с концентрацией метана до 87% достигает 1500 м3 на тонну. Тем не менее, животное сырьё в дефиците и, как правило, ему находят иное применение.

Горючий газ из экскрементов

• Навоз дёшев и во многих хозяйствах имеется в достатке, однако выход и качество биогаза значительно ниже, чем из других видов. Коровьи лепёшки и лошадиные яблочки можно использовать в чистом виде, ферментация начинается сразу, выход биогаза 60 м2 на тонну сырья с невысоким содержанием метана (до 60%). Производственный цикл короткий, 10-15 дней. Свиной навоз и куриный помёт токсичны - чтобы полезные бактерии могли развиваться, его смешивают с растительными отходами, силосом. Большую проблему представляют моющие составы, ПАВы, которые применяются при уборке животноводческих помещений. Вкупе с антибиотиками, которые в большом количестве попадают в навоз, они угнетают бактериальную среду и тормозят образование метана. Не применять дезинфицирующих средств вовсе невозможно и агропредприятия, вложившиеся в производство газа из навоза, вынуждены искать компромисс между гигиеной и контролем над заболеваемостью животных с одной стороны и поддержанием продуктивности биореакторов с другой.
• Человеческие экскременты, совершенно бесплатные, тоже подходят. Но использовать обычные канализационные стоки нерентабельно, слишком мала концентрация фекалий и высока дезинфицирующих средств, ПАВ. Технологи утверждают, что их можно было бы использовать лишь в случае, если в канализацию будут поступать «продукты» только из унитаза при условии, что смыв чаши осуществляется лишь одним литром воды (стандарт 4/8 л). И без моющих средств, естественно.

Дополнительные требования к сырью

Серьёзная проблема, с которой сталкиваются хозяйства, установившие у себя современное оборудование для получения биогаза - сырьё не должно содержать твёрдых включений, случайно попавший в массу камень, гайка, кусок проволоки или доска закупорит трубопровод, выведет из строя дорогостоящий фекальный насос или мешалку. Нужно сказать, что приведенные данные по максимальному выходу газа из сырья соответствуют идеальным лабораторным условиям. Чтобы приблизиться в реальном производстве к этим цифрам, необходимо соблюсти ряд условий: поддерживать необходимую температуру, периодически перемешивать мелко измельчённое сырье, вносить добавки, активизирующие ферментацию и т.д. На кустарной установке, собранной по рекомендациям статей о «получении биогаза своими руками», едва лишь можно достичь 20% от максимального уровня, высокотехнологические установки позволяют добиваться значений в 60-95%.

Достаточно объективные данные по максимальному выходу биогаза для различных типов сырья

Устройство биогазовой установки

Выгодно ли заниматься производством биогаза

Мы уже упоминали, что в развитых странах строят крупные промышленные установки, а в развивающихся главным образом мелкие, для небольшого хозяйства. Объясним, почему так:

Имеет ли смысл производить биотопливо в домашних условиях

Выгодно ли производить биотопливо в домашних условиях в малых количествах в личном подсобном хозяйстве? Если у вас есть несколько металлических бочек и прочего железного хлама, а также бездна свободного времени и вы не знаете, как им распорядиться - да. Но экономия, увы, мизерная. А уж вкладывать деньги в высокотехнологичное оборудование при небольших объёмах поступления сырья и производства метана не имеет смысла ни при каком раскладе.

Очередной ролик отечественного Кулибина

ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на НАШ youtube канал Эконет.ру, что позволяет смотреть онлайн, скачать с ютуб бесплатно видео об оздоровлении, омоложении человека..

Ставьте ЛАЙКИ, делитесь с ДРУЗЬЯМИ!

https://www.youtube.com/channel/UCXd71u0w04qcwk32c8kY2BA/videos

Без перемешивания сырья и активации процесса ферментации выход метана составит не более 20% от возможного. Значит, в лучшем случае с 100 кг (загрузка бункера) отборной травы можно получить 5 м3 газа без учёта сжатия. И будет хорошо, если содержание метана превысит 50% и не факт, что он будет гореть в теплогенераторе. По утверждению автора, сырьё загружается ежедневно, то есть производственный цикл у него - одни сутки. На самом деле необходимое время - 60 суток. Количества полученного изобретателем биогаза, содержащегося в 50-литровом баллоне, который он сумел заполнить, в морозную погоду для отопительного котла мощностью 15 кВт (жилой дом около 150 м2) хватит на 2 минуты.

Тем, кого возможность производства биогаза заинтересовала, рекомендуется внимательно изучить проблему, особенно с финансовой точки зрения, с техническими вопросами обратиться к специалистам, имеющим опыт подобных работ. Весьма ценной будет практическая информация, полученная в тех хозяйствах, где биоэнергетические технологии уже используются какое-то время. опубликовано

Для владельцев крупных фермерских хозяйств остро стоит вопрос в виде навоза, птичьего помета, останков животных. Для решения проблемы можно использовать специальные установки, предназначенные для получения биогаза. Их легко изготовить в домашних условиях и эксплуатировать на протяжении длительного периода с высоким выходом готового к применению продукта.

Что такое биогаз?

Биогазом называют вещество, получаемое из натурального сырья в виде биомассы (навоза, птичьего помета) вследствие ее брожения. В данный процесс вовлечены различные бактерии, каждая из которых питается продуктами жизнедеятельности предыдущих. Выделяют такие микроорганизмы, принимающие активное участие в процессе производства биогаза:

• гидролизные;
• кислотообразующие;
• метанообразующие.

Технология получения биогаза из готовой биомассы заключается в стимуляции природных процессов. Находящимся в навозе бактериям следует создать оптимальные условия для быстрого размножения и эффективной переработки веществ. Для этого биологическое сырье помещают в закрытый от поступления кислорода резервуар.

После этого в работу вступает группа анаэробных микробов. Они позволяют преобразовать фосфор-, калий- и азотсодержащие соединения в чистые формы. В результате переработки образуется не только биогаз, но и качественные одобрения. Они идеально подходят для сельскохозяйственных нужд и более эффективны, чем традиционный навоз.

Экологическая ценность производства биогаза

Благодаря эффективной переработке биологических отходов получают ценное топливо. Налаживание данного процесса позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, которые оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Это соединение стимулирует парниковый эффект в 21 раз сильнее, чем углекислый газ. Метан способен сохраняться в атмосфере на протяжении 12 лет.

Для предотвращения глобального потепления, что является проблемой мирового масштаба, необходимо ограничить поступление и распространение этого вещества в окружающую среду. Полученные в процессе переработки отходы являются высококачественным одобрением. Его использование позволяет снизить объем применяемых химических соединений. Синтетически изготовленные удобрения загрязняют грунтовые воды и негативно сказываются на состоянии окружающей среды.

Что влияет на продуктивность производственного процесса?

При правильной организации производственного процесса по выпуску биогаза, из 1 куб. м органического сырья получают около 2-3 куб. м чистого продукта. На его эффективность влияют многие факторы:

• температура окружающей среды;
• уровень кислотности органического сырья;
• влажность окружающей среды;
• количество фосфора, азота и углерода в исходной биологической массе;
• размер частиц навоза или помета;
• наличие веществ, замедляющих процесс переработки;
• включение в состав биомассы стимулирующих добавок;
• частота подачи субстрата.

Перечень используемого сырья для производства биогаза

Получение биогаза возможно не только из навоза или птичьего помета. Для производства экологически чистого топлива можно использовать и другое сырье:

• зерновая барда;
• отходы от выпуска соков;
• свекольный жом;
• отходы рыбного или мясного производства;
• пивная дробина;
• отходы молокозаводов;
• фекальные осадки;
• бытовые отходы органического происхождения;
• отходы от производства биодизеля из рапса.

Состав биологического газа

Состав биогаза после прохождения всех следующий:

• 50-87% метана;
• 13-50% диоксида углерода;
• примеси водорода и сероводорода.

После очистки продукта от примесей получают биометан. Он является аналогом , но имеет другую природу происхождения. Для повышения качеств топлива нормализуют содержание в его составе метана, который является основным источником энергии.

При расчете объемов производимых газов учитывают температуру окружающей среды. При ее повышении выход продукта повышается и снижается его калорийность. На характеристики биогаза негативно влияет повышение влажности воздуха.

Сфера применения биогаза

Производство биогаза играет значительную роль не только для сохранения экологии, но и обеспечивает народное хозяйство топливом. Оно характеризуется обширной сферой применения:

• используется в качестве сырья для производства электроэнергии, автомобильного топлива;
• для обеспечения энергетических потребностей небольших или средних предприятий;
• биогазовые установки исполняют роль очистных сооружений, что позволяет решить .

Технология производства биогаза

Для производства биогаза следует предпринять действия, которые позволят ускорить процесс природного расщепления органической массы. Перед помещением в герметическую емкость с ограниченным поступлением кислорода природное сырье тщательно измельчают и смешивают с определенным количеством воды.

В результате получают исходный субстрат. Наличие в его составе воды необходимо для предотвращения негативного воздействия на бактерии, которое может произойти при попадании веществ из окружающей среды. Без жидкой составляющей процесс брожения значительно замедляется и снижает эффективность работы всей биоустановки.

Оборудование промышленного типа для переработки органического сырья дополнительно оснащается:

• устройством для подогрева субстрата;
• оборудованием для перемешивания сырья;
• приборами для контроля над кислотностью среды.

Данные устройства значительно повышают эффективность работы биореакторов. Благодаря перемешиванию удаляется твердая корка с поверхности биомассы, что увеличивает количество выделяемого газа. Длительность переработки органической массы – около 15 суток. За это время она разлагается только на 25%. Максимальное количество природного газа выделяется, когда степень расщепления субстрата достигает 33%.

Технология изготовления биологического газа подразумевает ежедневное обновление субстрата. Для этого 5% массы удаляют из биореактора, а на ее место укладывают новую порцию сырья. Отработанный продукт используется в качестве одобрения.

Технология производства биогаза в домашних условиях

Производство биогаза в домашних условиях происходит по следующей схеме:

1. Осуществляется измельчение биологической массы. Необходимо получить частицы, размер которых не превышает 10 мм.
2. Полученная масса тщательно перемешивается с водой. На 1 кг сырья нужно приблизительно 700 мл жидкой составляющей. Используемая вода должна быть питьевой и не содержать примесей.
3. Полученным субстратом заполняется весь резервуар, после чего герметически закрывается.
4. Желательно несколько раз в сутки тщательно перемешивать субстрат, что повысит эффективность его переработки.
5. На 5 день производственного процесса проверяют наличие биогаза и постепенно откачивают его в подготовленные баллоны при помощи компрессора. Периодическое удаление газообразных продуктов является обязательным. Их накопление приводит к увеличению давления внутри резервуара, что негативно сказывается на процессе расщепления биологической массы.
6. На 15 день производства часть субстрата удаляют, и загружают свежую порцию биологического материала.

Для определения необходимого объема ректора для переработки биомассы следует рассчитать количество навоза, производимого на протяжении суток. В обязательном порядке учитывается вид используемого сырья, температурный режим, который будет поддерживаться в установке. Используемый резервуар должен заполняться на 85-90% от своего объема. Оставшихся 10% необходимо для накопления полученного биологического газа.

В обязательно порядке учитывается длительность цикла переработки. При поддержании температуры в +35°С она составляет 12 суток. Нужно не забывать, что используемое сырье перед отправкой в реактор разбавляется водой. Поэтому ее количество учитывают перед расчетом объема резервуара.

Схема простейшей биоустановки

Для изготовления биогаза в домашних условиях необходимо создать оптимальные условия для микроорганизмов, которые будут расщеплять биологическую массу. В первую очередь желательно организовать подогрев генератора, что повлечет за собой дополнительные расходы.

• объем емкости для сохранения отходов должен быть не меньше 1 куб. м;
• необходимо использовать герметически закрываемый резервуар;
• утепление бака с биомассой – обязательное условие его эффективной работы;
• резервуар можно углубить в землю. Тепловую изоляцию устанавливают только в верхней его части;
• в емкость монтируется ручная мешалка. Ее ручка выводится наружу через герметический узел;
• предусматриваются патрубки для погрузки/выгрузки сырья, забора биогаза.

Технология изготовления подземного реактора

Для производства биогаза можно установить самую простую установку, углубив ее в грунт. Технология изготовления такого резервуара выглядит следующим образом:

1. Выкапывают котлован нужного размера. Его стенки заливают керамзитобетоном, который дополнительно армируют.
2. С противоположных стенок бункера оставляют отверстия. В них устанавливают трубы с некоторым наклоном, чтобы производить закачку сырья и извлечение отработанного материала.
3. Выходной трубопровод диаметром 70 мм устанавливается практически около самого дна. Другой его конец устанавливается в резервуар, в который будет происходить выкачка отработанного шлама. Рекомендуется делать его прямоугольным.
4. Трубопровод для подачи сырья размещают на высоте 0,5 м относительно дна. Его рекомендуемый диаметр – 30-35 мм. Верх трубы заводят в отдельный резервуар для приема подготовленного сырья.
5. Верхняя часть биореактора должна иметь купольную или конусную форму. Ее можно изготовить из обычного кровельного железа или других металлических листов. Разрешается сделать крышку резервуара при помощи кирпичной кадки. Для усиления ее конструкции поверхность дополнительно оштукатуривают с установкой арматурной сетки.
6. Сверху крышки резервуара делаю люк, который должен герметически закрываться. Через нее также выводят газоотводный трубопровод. Дополнительно устанавливают клапан для сброса давления.
7. Для перемешивания субстрата в резервуаре устанавливают несколько пластиковых труб. Они должны быть погружены в биомассу. В трубах делают множество отверстий, что позволяет перемешивать сырье при помощи движущихся пузырьков газа.

Расчет выхода биогаза

Выход биологического газа зависит от содержания в сырье сухого вещества и его типа:

• из 1 т навоза от крупного рогатого скота получают 50-60 куб. м продукта с содержанием метана 60%;
• из 1 т отходов растительного происхождения получают 200-500 куб. м биогаза с концентрацией метана 70%;
• из 1 т жира получают 1300 куб. м газа с концентрацией метана 87%.

Для определения эффективности производства проводят лабораторные испытания используемого сырья. Рассчитывается его состав, что влияет на качественные характеристики биогаза.

Получение биогаза происходит в специальных, корозионностойких цилиндрических герметичных цистернах, также их называют ферментерами. В таких емкостях протекает процесс брожения. Но до того как попасть в ферментер, сырье загружается в емкость приемник. Тут оно смешивается с водой до однородного состояния, с помощью специального насоса. Далее из емкости приемника в ферментеры вводится уже подготовленный сырьевой материал. Надо заметить, что процесс перемешивания при этом не останавливается и продолжается до тех пор, пока в емкости приемнике ничего не останется. После ее опустошения насос автоматически останавливается. После начала процесса ферментации начинает выделяться биогаз, который по специальным трубам поступает в газгольдер, размещенный неподалеку.

Рисунок 5. Обобщенная схема биогазовой установки

На рисунке 6 приведена схема установки для получения биогаза. Органические стоки, обычно жидкий навоз, поступают в приемник-теплообменник 1, где подогреваются нагретым шламом, подаваемым по трубе-теплообменнику насосом 9 из метантенка 3, и разбавляются горячей водой.

Рисунок 6. Схема установки для получения биогаза

Дополнительное разбавление стоков горячей водой и подогрев до нужной температуры проводится в аппарате 2. Сюда же для создания нужного соотношения С/N подаются отходы полеводства. Биогаз, образующийся в метантенке 3, частично сжигается в нагревателе воды 4, и продукты горения выводятся через трубу 5. Остальная часть биогаза проходит через устройство очистки 6, сжимается компрессором 7 и поступает в газгольдер 8. Шлам из аппарата 1 поступает в теплообменник 10, где дополнительно охлаждаясь подогревает холодную воду. Шлам представляет собой обеззараженное высокоэффективное естественное удобрение, способное заменить 3-4 т минерального удобрения типа нитрофоски.

2.2 Системы хранения биогаза

Обычно биогаз выходит из реакторов неравномерно и с малым давлением (не более 5 кПа). Этого давления с учетом гидравлических потерь газотранспортной сети недостаточно для нормальной работы газоиспользующего оборудования. К тому же пики производства и потребления биогаза не совпадают по времени. Наиболее простое решение ликвидации излишка биогаза – сжигание его в факельной установке, однако при этом безвозвратно теряется энергия. Более дорогим, но в конечном итоге экономически оправданным способом выравнивания неравномерности производства и потребления газа является использование газгольдеров различных типов. Условно все газгольдеры можно подразделить на «прямые» и «непрямые». В «прямых» газгольдерах постоянно находится некоторый объем газа, закачиваемого в периоды спада потребления и отбираемого при пиковой нагрузке. «Непрямые» газгольдеры предусматривают аккумулирование не самого газа, а энергии промежуточного теплоносителя (воды или воздуха), нагреваемого продуктами сгорания сжигаемого газа, т.е. происходит накопление тепловой энергии в виде нагретого теплоносителя.

Биогаз в зависимости от его количества и направления последующего использования можно хранить под разным давлением, соответственно и газохранилища называются газгольдерами низкого (не выше 5 кПа), среднего (от 5 кПа до 0,3 МПа) и высокого (от 0,3 до 1,8 МПа) давления. Газгольдеры низкого давления предназначены для хранения газа при малоколеблющемся давлении газа и значительно изменяющемся объеме, поэтому их иногда называют газохранилищами постоянного давления и переменного объема (обеспечивается подвижностью конструкций). Газгольдеры среднего и высокого давления, наоборот, устраиваются по принципу неизменного объема, но меняющегося давления. В практике применения биогазовых установок наиболее часто используются газгольдеры низкого давления.

Вместимость газгольдеров высокого давления может быть различной - от нескольких литров (баллоны) до десятков тысяч кубических метров (стационарные газохранилища). Хранение биогаза в баллонах применяется, как правило, в случае использования газа в качестве горючего для транспортных средств. Основные преимущества газгольдеров высокого и среднего давления - небольшие габариты при значительных объемах хранимого газа и отсутствие движущихся частей, а недостатком является необходимость в дополнительном оборудовании: компрессорной установке для создания среднего или высокого давления и регуляторе давления для снижения давления газа перед горелочными устройствами газоиспользующих агрегатов.

Экология потребления. Усадьба: Фермерские хозяйства ежегодно сталкиваются с проблемой утилизации навоза. В никуда уходят немалые средства, которые требуются для организации его вывоза и захоронения. Но есть способ, позволяющий не только сэкономить свои деньги, но и заставить служить себе во благо этот природный продукт.

Фермерские хозяйства ежегодно сталкиваются с проблемой утилизации навоза. В никуда уходят немалые средства, которые требуются для организации его вывоза и захоронения. Но есть способ, позволяющий не только сэкономить свои деньги, но и заставить служить себе во благо этот природный продукт. Рачительные хозяева уже давно применяют на практике экотехнологию, позволяющую получить биогаз из навоза и использовать результат в качестве топлива.

О преимуществах использования биотехнологий

Технология получения биогаза из различных природных источников не нова. Исследования в этой области начались еще в конце 18 века и успешно развивались в 19 столетии. В Советском Союзе первая биоэнергетическая установка была создана в сороковых годах прошлого века.

Технология переработки навоза в биогаз позволяет уменьшить количество вредных выбросов метана в атмосферу и получить дополнительный источник тепловой энергии

Биотехнологии давно применяются во многих странах, но именно сегодня они приобретают особое значение. Вследствие ухудшения экологической обстановки на планете и высокой стоимости энергоносителей, многие устремляют свои взоры в сторону альтернативных источников энергии и тепла.

Безусловно, навоз является очень ценным удобрением, и если в хозяйстве имеется две коровы, то и проблем с его применением не возникает. Другое дело, когда речь идет о фермерских хозяйствах с большим и средним поголовьем, где в год образуются тонны зловонного и гниющего биологического материала.

Чтобы навоз превратился в качественное удобрение, нужны площади с определенным температурным режимом, а это лишние расходы. Поэтому многие фермеры складируют его, где придется, а затем вывозят на поля.

При несоблюдении условий хранения из навоза улетучиваются до 40% азота и основная часть фосфора, что значительно ухудшает его качественные показатели. Кроме того, в атмосферу выделяется газ метан, оказывающий негативное влияние на экологическую обстановку планеты.

В зависимости от объема сырья, образующегося в сутки, следует подбирать габариты установки и степень ее автоматизации

Современные биотехнологии позволяют не только нейтрализовать вредное воздействие метана на экологию, но и заставить его служить на благо человека, извлекая при этом немалую экономическую выгоду. В результате переработки навоза образуется биогаз, из которого затем можно получить тысячи кВт энергии, а отходы производства представляют собой очень ценное анаэробное удобрение.

Что представляет собой биогаз

Биогаз – это летучее вещество без цвета и какого-либо запаха, в котором содержится до 70% метана. По своим качественным показателям он приближается к традиционному виду топлива – природному газу. Отличается хорошей теплотворной способностью, 1м3 биогаза выделяет столько тепла, сколько получается при сгорании полутора килограмм угля.

Образованию биогаза мы обязаны анаэробным бактериям, которые активно трудятся над разложением органического сырья, в качестве которого используются навоз сельскохозяйственных животных, птичий помет, отходы любых растений.

В самостоятельном производстве биогаза может использоваться птичий помет и продукты жизнедеятельности мелкого и крупного домашнего скота. Сырье может применяться в чистом виде и в форме смеси с включением травы, листвы, старой бумаги

Для активизации процесса необходимо создать благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий. Они должны быть схожи с теми, в которых микроорганизмы развиваются в естественном резервуаре – в желудке животных, где тепло и отсутствует кислород. Собственно это и есть два основных условия, способствующих чудесному превращению гниющей навозной массы в экологически чистое топливо и ценные удобрения.

Механизм образования газа из органического сырья

Для получения биогаза нужен герметичный реактор без доступа воздуха, где будет происходить процесс брожения навоза и разложения его на составляющие:

• Метан (до 70%).
• Углекислый газ (примерно 30%).
• Другие газообразные вещества (1-2%).

Образовавшиеся газы поднимаются кверху емкости, откуда их затем выкачивают, а вниз оседает остаточный продукт – высококачественное органическое удобрение, сохранившее в результате обработки все ценные вещества, имеющиеся в навозе – азот и фосфор, и потерявшее значительную часть патогенных микроорганизмов.

Реактор для получения биогаза должен иметь полностью герметичную конструкцию, в которой отсутствует кислород, в противном случае процесс разложения навоза будет проходить крайне медленно

Второе важное условие для эффективного разложения навоза и образования биогаза – соблюдение температурного режима. Бактерии, принимающие участие в процессе, активизируются при температуре от +30 градусов. Причем в навозе содержится два вида бактерий:

• Мезофильные. Их жизнедеятельность происходит при температуре +30 – +40 градусов;
• Термофильные. Для их размножения необходимо соблюсти температурный режим +50 (+60) градусов.

Время переработки сырья в установках первого типа зависит от состава смеси и составляет от 12 до 30 суток. При этом 1 литр полезной площади реактора дает 2 л биотоплива. При использовании установок второго типа время выработки конечного продукта сокращается до трех дней, а количество биогаза возрастает до 4,5 л.

Эффективность термофильных установок видна невооруженным глазом, однако и цена их обслуживания очень высока, поэтому прежде чем выбрать тот или иной способ получения биогаза, необходимо очень тщательно все просчитать (кликните для увеличения)

Несмотря на то, что эффективность термофильных установок в десятки раз выше, применяются они гораздо реже, поскольку поддержание высоких температур в реакторе связано с большими расходами. Обслуживание и содержание установок мезофильного типа дешевле, поэтому большинство фермерских хозяйств для получения биогаза используют именно их.

Биогаз по критериям энергетического потенциала немногим уступает привычному газовому топливу. Однако в его составе есть сернокислые испарения, наличие которых следует учесть при выборе материалов для сооружения установки

Расчеты эффективности применения биогаза

Оценить все преимущества использования альтернативного биотоплива, помогут несложные расчеты. Одна корова весом 500 кг производит в сутки примерно 35-40 кг навоза. Этого количества хватит для получения около 1.5 м3 биогаза, из которого в свою очередь можно выработать 3 кВт/ч электроэнергии.

Используя данные из таблицы, нетрудно рассчитать, сколько м3 биогаза можно получить на выходе в соответствии с имеющимся в фермерском хозяйстве поголовьем скота

Для получения биотоплива можно использовать как один вид органического сырья, так и смеси из нескольких компонентов, имеющих влажность 85-90%. Важно, чтобы они не содержали посторонние химические примеси, отрицательно влияющие на процесс переработки.

Самый простой рецепт смеси придумал еще в 2000 году один русский мужик из Липецкой области, который построил своими руками простейшую установку для получения биогаза. Он смешивал 1500 кг коровьего навоза с 3500 кг отходов различных растений, добавлял воду (примерно 65% от веса всех ингредиентов) и разогревал смесь до 35 градусов.

Через две недели бесплатное топливо готово. Эта небольшая установка вырабатывала 40 м3 газа в день, что вполне хватало для обогрева дома и хозпостроек в течение полугода.

Варианты изготовления установок для получения биотоплива

После проведения расчетов необходимо определиться, как изготовить установку, чтобы получить биогаз в соответствии с потребностями своего хозяйства. Если поголовье скота небольшое, то подойдет простейшая установка, которую нетрудно изготовить из подручных средств своими руками.

Крупным фермерским хозяйствам, у которых есть постоянный источник большого количества сырья, целесообразно построить промышленную автоматизированную биогазовую систему. В этом случае вряд ли получится обойтись без привлечения специалистов, которые разработают проект и смонтируют установку на профессиональном уровне.

На схеме наглядно показано, как работает промышленный автоматизированный комплекс по получению биогаза. Строительство таких масштабов можно организовать сразу нескольким фермерским хозяйствам, расположенным поблизости

Сегодня существуют десятки компаний, которые могут предложить множество вариантов: от готовых решений, до разработки индивидуального проекта. Для удешевления строительства можно скооперироваться с соседними хозяйствами (если такие имеются поблизости) и построить одну на всех установку для получения биогаза.

Следует учесть, что для постройки даже небольшой установки необходимо оформить соответствующие документы, сделать технологическую схему, план размещения оборудования и вентиляции (если оборудование устанавливается в помещении), пройти процедуры согласования с СЭС, пожарной и газовой инспекцией.

Конструктивные особенности биогазовой системы

Полноценная биогазовая установка представляет собой сложную систему, состоящую из:

1. Биореактора, где протекает процесс разложения навоза;
2. Автоматизированной системы подачи органических отходов;
3. Устройства для перемешивания биомассы;
4. Оборудования для поддержания оптимального температурного режима;
5. Газгольдера – емкости для хранения газа;
6. Приемника отработанных твердых отходов.

Все вышеперечисленные элементы устанавливаются в промышленные установки, работающие в автоматическом режиме. Бытовые реакторы, как правило, имеют более упрощенную конструкцию.

На схеме представлены основные составляющие автоматизированной биогазовой системы. Объем реактора зависит от суточного поступления органического сырья. Для полноценного функционирования установки реактор должен быть заполнен на две трети объема

Принцип работы и устройство установки для производства биогаза

Основным элементом системы является биореактор. Существует несколько вариантов его исполнения, главное – обеспечить герметичность конструкции и исключить попадание кислорода. Он может быть выполнен в виде металлической емкости различной формы (чаще цилиндрической), расположенной на поверхности. Нередко для этих целей используются 50-ти кубовые пустые топливные цистерны.

Можно приобрести готовые емкости разборной конструкции. Их преимущество – возможность быстрой разборки, и при необходимости – перевозки в другое место. Промышленные поверхностные установки целесообразно применять в крупных хозяйствах, где есть постоянный приток большого количества органического сырья.

Для небольших подворий больше подходит вариант подземного размещения резервуара. Поземный бункер строится из кирпича или бетона. Можно закопать в землю готовые емкости, например, бочки из металла, нержавеющей стали или ПВХ. Возможно также их поверхностное размещение на улице или в специально отведенном помещении с хорошей вентиляцией.

Для изготовления установки по производству биогаза можно приобрести готовые емкости из ПВХ и установить их в помещении, оборудованном системой вентиляции

Независимо от того, где и как размещается реактор, он снабжается бункером для загрузки навоза. Прежде чем загрузить сырье, оно должно пройти предварительную подготовку: его измельчают на фракции не больше 0,7 мм и разбавляют водой. В идеале влажность субстрата должна быть около 90%.

Автоматизированные установки промышленного типа оснащаются системой подачи сырья, включающей приемник, в котором смесь доводится до необходимого увлажнения, трубопровод для подачи воды и насосную установку для перекачки массы в биореактор.

В домашних установках для подготовки субстрата используются отдельные емкости, где отходы измельчаются и перемешиваются с водой. Затем масса загружается в приемный отсек. В реакторах, расположенных под землей, бункер для приема субстрата выводится наружу, подготовленная смесь самотеком по трубопроводу поступает в камеру для брожения.

Если реактор размещен на земле или в помещении, входная труба с приемным устройством могут располагаться в нижней боковой части емкости. Возможно также трубу вывести в верхнюю часть, а на ее горловину надеть раструб. В этом случае биомассу придется подавать при помощи насоса.

В биореакторе также необходимо предусмотреть выходное отверстие, которое делают практически на дне емкости с противоположной стороны от входного бункера. При подземном размещении выходная труба устанавливается косо вверх и ведет в приемник для отходов, по форме напоминающий ящик прямоугольной формы. Его верхний край дожжен находиться ниже уровня входного отверстия.

Входная и выходные трубы располагаются косо вверх на разных сторонах емкости, при этом компенсирующая емкость, в которую поступают отходы, должна быть ниже приемного бункера

Процесс протекает следующим образом: входной бункер принимает новую партию субстрата, которая стекает в реактор, одновременно такое же количество отработанного шлама по трубе поднимается в приемник для отходов, откуда он в дальнейшем вычерпывается и используется в качестве высококачественного биоудобрения.

Хранение биогаза осуществляется в газгольдере. Чаще всего он находится прямо на крыше реактора и имеет форму купола или конуса. Он изготавливается из кровельного железа, а затем, чтобы предотвратить коррозийные процессы, окрашивается несколькими слоями масляной краски. В промышленных установках, рассчитанных на получение большого количества газа, газгольдер нередко выполняется в виде отдельно стоящего резервуара, соединенного с реактором трубопроводом.

Газ, полученный в результате брожения, не подходит для использования, поскольку в нем содержится большое количество водяных паров, и в таком виде он не будет гореть. Чтобы очистить его от фракций воды, газ пропускают через гидрозатвор. Для этого из газгольдера выводится труба, по которой биогаз поступает в емкость с водой, а уже оттуда он по пластиковой или металлической трубе подается потребителям.

Схема установки, расположенной под землей. Входное и выходное отверстия должны располагаться на противоположных сторонах емкости. Над реактором находится водяной затвор, через который для осушения пропускается полученный газ

В некоторых случаях для хранения газа используются специальные мешки-газгольдеры, изготовленные из поливинилхлорида. Мешки помещаются рядом с установкой и постепенно заполняются газом. По мере наполнения, эластичный материал раздувается, и объем мешков увеличивается, позволяя при необходимости временно сохранить большее количество конечного продукта.

Условия эффективной работы биореактора

Для эффективной работы установки и интенсивного выделения биогаза необходимо равномерное брожение органического субстрата. Смесь должна находиться в постоянном движении. В противном случае на ней образуется корка, процесс разложения замедляется, в итоге газа получается меньше, чем изначально рассчитано.

Чтобы обеспечить активное перемешивание биомассы, в верхней или боковой части типового реактора устанавливаются мешалки погружного или наклонного вида, оборудованные электроприводом. В установках кустарного вида перемешивание производится механическим способом при помощи устройства, напоминающего бытовой миксер. Им можно управлять вручную или снабдить электроприводом.

При вертикальном расположении реактора рукоятка мешалки выводится в верхнюю часть установки. Если емкость установлена горизонтально, шнек также располагается в горизонтальной плоскости, и ручка находится сбоку биореактора

Одним из самых главных условий для получения биогаза является поддержание в реакторе необходимого температурного режима. Обогрев может осуществляться несколькими способами. В стационарных установках применяются автоматизированные системы подогрева, которые включаются в работу при падении температуры ниже заданного уровня, и отключаются при наборе необходимого температурного режима.

Для обогрева можно использовать газовые котлы, осуществлять прямой нагрев электрическими отопительными приборами, или встроить в основание емкости нагревательный элемент. Чтобы уменьшить потери тепла рекомендуется вокруг реактора соорудить небольшой каркас со слоем стекловаты или укрыть установку теплоизоляцией. Хорошими теплоизоляционными свойствами обладает пенополистирол.

Чтобы обустроить систему обогрева биомассы, можно провести трубопровод от домового отопления, которое питается от реактора

Как определить нужный объем реактора

Объем реактора определяется исходя из суточного количества навоза, производимого в хозяйстве. Также необходимо учитывать тип сырья, температурный режим и время брожения. Чтобы установка полноценно работала, емкость заполняется на 85-90% объема, как минимум 10% должно оставаться свободным для выхода газа.

Процесс разложения органики в мезофильной установке при средней температуре 35 градусов длится от 12 суток, после чего ферментированные остатки извлекаются, и реактор заполняется новой порцией субстрата. Поскольку перед отправкой в реактор отходы разбавляются водой до 90%, то количество жидкости также нужно учитывать при определении суточной загрузки.

Исходя из приведенных показателей, объем реактора будет равен суточному количеству подготовленного субстрата (навоза с водой) умноженному на 12 (время необходимое для разложения биомассы) и увеличенному на 10% (свободный объем емкости).

Строительство подземной установки по производству биогаза

Теперь поговорим о простейшей установке, позволяющей получить биогаз в домашних условиях с наименьшими затратами. Рассмотрим строительство подземной установки. Чтобы ее изготовить нужно вырыть яму, ее основание и стены заливаются армированным керамзитобетоном. С противоположных сторон камеры выводятся входное и выходное отверстия, куда монтируются наклонные трубы для подачи субстрата и откачки отработанного шлама.

Выходная труба диаметром примерно 7 см должна находиться практически у самого дна бункера, другой ее конец монтируется в компенсирующую емкость прямоугольной формы, в которую будут откачиваться отходы. Трубопровод для подачи субстрата располагается приблизительно на расстоянии 50 см от дна и имеет диаметр 25-35 см. Верхняя часть трубы входит в отсек для приема сырья.

Реактор должен быть полностью герметичным. Чтобы исключить возможность попадания воздуха, емкость необходимо покрыть слоем битумной гидроизоляции

Верхняя часть бункера – газгольдер имеет купольную или конусную форму. Она изготавливается из металлических листов или кровельного железа. Можно также конструкцию завершить кирпичной кладкой, которая затем оббивается стальной сеткой и штукатурится. Сверху газгольдера нужно сделать герметичный люк, вывести газовую трубу, проходящую через гидрозатвор и установить клапан для сброса давления газа.

Для перемешивания субстрата можно оборудовать установку дренажной системой, действующей по принципу барботажа. Для этого внутри конструкции вертикально закрепите пластиковые трубы, чтобы их верхний край был выше слоя субстрата. Проделайте в них множество отверстий. Газ под давлением будет опускаться вниз, а поднимаясь вверх, пузырьки газа будут перемешивать находящуюся в емкости биомассу.

Если вы не желаете заниматься строительством бетонного бункера, можно купить готовую емкость из ПВХ. Для сохранения тепла ее нужно обложить вокруг слоем теплоизоляции – пенополистиролом. Дно ямы заливается армированным бетоном слоем 10 см. Резервуары из поливинилхлорида допускается использовать, если объем реактора не превышает 3 м3.

Видео о получении биогаза из навоза

Как происходит строительство подземного реактора, вы можете посмотреть в видеосюжете:

Установка по получению биогаза из навоза позволит существенно сэкономить на оплате тепла и электроэнергии, и пустить на благое дело органический материал, который в избытке имеется в каждом фермерском хозяйстве. Прежде чем начать строительство, необходимо все тщательно просчитать и подготовить.

Простейший реактор можно сделать за несколько дней своими руками, используя подручные средства. Если хозяйство крупное, то лучше всего купить готовую установку или обратиться к специалистам. опубликовано