Биогаз: основы производства. Биогазовая установка: переработка органических отходов с пользой

Анаэробные бактерии - это микроорганизмы, использующие кислород в минимальных количествах для своей жизнедеятельности.

Обычно для окисления органики живые существа используют вдыхаемый кислород (углерод окисляется, кислород восстанавливается). Однако в областях, бедных кислородом, встречаются анаэробные бактерии , обходящиеся без кислорода и пользующиеся каким-нибудь другим окислителем.

Анаэробные микроорганизмы были открыты французским ученым Луи Пастером в 1861 г. Это открытие стало сенсацией для ученых-биологов, полагавших, что жизнь невозможна без дыхания и использования кислорода.

В дальнейшем оказалось, что спорообразующие анаэробы - не какие-нибудь редко встречающиеся диковинки, а очень широко распространенные по всей поверхности Земли организмы. Последующие исследования многих микробиологов показали, что самые различные природные среды, в том числе полностью лишенные молекулярного кислорода, населены множеством микроскопических организмов, принимающих самое активное участие в круговороте веществ на Земле.

Глубокое изучение обмена веществ анаэробов позволило использовать их в промышленности как продуцентов ряда ценных для народного хозяйства соединений.

В настоящее время промышленность и жилые массивы производят большое количество отходов, которые необходимо утилизировать и переработать. Из органических отходов можно получить биогаз. В анаэробных условиях бактерии разлагают органический субстрат, а биогаз является промежуточным продуктом их обмена веществ.

В мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60 разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространённый метод - анаэробное сбраживание в метатанках (резервуары для биологической переработки), без доступа воздуха, или анаэробных колоннах. Часть энергии, получаемой в результате утилизации биогаза, направляется на поддержание процесса.

Бактерии перерабатывают биомассу в биогаз при температуре свыше 25°С. В странах с жарким климатом нет необходимости подогревать метатанк.

Процесс основан на разложении (гниении) под воздействием бактерий, принадлежащих к двум большим семействам асидогенов и метаногенов, предварительно сортированного ТБО (органические отходы, густая грязь) в металлических емкостях без доступа воздуха при средней температуре около + 55°C. Этот газ подается под давлением в очистительную систему, а потом выделяется в два компонента - метан и углекислый газ.

Биогаз состоит из 55-75% метана и 25-45% углекислого газа, включая небольшие примеси сероводорода. Период образования качественного биогаза составляет от 7 до 15 дней.

Процесс разложения происходит в четыре этапа, в каждом из которых участие принимают разные группы бактерий.

На первом этапе аэробные бактерии перестраивают высокомолекулярные органические субстанции (белок, углеводы, жиры, целлюлозу) с помощью энзимов на низкомолекулярные соединения, такие как моносахариды, аминокислоты, жирные кислоты и воду. Этот процесс называется гидролиз.

Далее расщеплением занимаются кислотообразующие бактерии. В этом процессе частично принимают участие анаэробные бактерии, употребляющие остатки кислорода и образующие тем самым необходимые для метановых бактерий анаэробные условия. На этом этапе вырабатываются: кислоты (уксусная, муравьиная, масляная, пропионовая, капроновая и молочная), спирты и кетоны (метанол, этанол, пропанол, бутанол, глицерин и ацетон), газы (двуокись углерода, углерод, сероводород и аммиак). Этот этап называют этапом окисления.

После этого кислотообразующие бактерии создают из органических кислот исходные продукты для образования метана: уксусную кислоту, двуокись углерода и водород.

На последнем этапе образуется метан, двуокись углерода и вода. 90% всего метана вырабатывается на этом этапе, 70% происходит из уксусной кислоты. Таким образом, образование уксусной кислоты (то есть третий этап расщепления) является фактором, определяющим скорость образования метана.

Получение биогаза экономически оправдано при переработке постоянного потока отходов, например на животноводческих фермах.

Россия ежегодно накапливает до 300 млн тонн в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн тонн в сельскохозяйственном производстве, 50 млн тонн в виде бытового мусора. Эти отходы являются сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд куб. м.

Биогаз собирают, предотвращая загрязнение атмосферы, и используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива. С учетом российских условий метан, выработанный из биогаза, или биогаз в основном его виде могут использоваться в виде топлива для малых котельных, автотранспорта и выработки электроэнергии.

Выделенный метан из биогаза является сырьем для получения многих ценных продуктов химической промышленности - метанола, формальдегида, ацетилена, сероуглерода, хлороформа, синильной кислоты, сажи.

Оставшийся высококачественный компост и обогащенное азотом удобрение продаётся предприятиям сельского хозяйства и частным лицам.
Данная технология считается полностью безотходным производством, где каждый компонент имеет свое применение.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

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:

Осуществляется измельчение биологической массы. Необходимо получить частицы, размер которых не превышает 10 мм.
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.
Полученным субстратом заполняется весь резервуар, после чего герметически закрывается.
Желательно несколько раз в сутки тщательно перемешивать субстрат, что повысит эффективность его переработки.
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.
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:

Выкапывают котлован нужного размера. Его стенки заливают керамзитобетоном, который дополнительно армируют.
С противоположных стенок бункера оставляют отверстия. В них устанавливают трубы с некоторым наклоном, чтобы производить закачку сырья и извлечение отработанного материала.
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.
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.
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.
Сверху крышки резервуара делаю люк, который должен герметически закрываться. Через нее также выводят газоотводный трубопровод. Дополнительно устанавливают клапан для сброса давления.
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.

Рост цен на энергоносители заставляет задуматься о возможности обеспечить себя ими самостоятельно. Один из вариантов — биогазовая установка. С ее помощью из навоза, помета и растительных остатков получают биогаз, который после очистки можно использовать для газовых приборов (плиты, котла), закачивать в баллоны и использовать его как топливо для автомобилей или электрогенераторов. В общем — переработка навоза в биогаз может обеспечить все потребности дома или фермы в энергоносителях.

Постройка биогазовой установки — способ самостоятельного обеспечения энергоресурсами

Общие принципы

Биогаз — продукт, который получается при разложении органических веществ. В процессе гниения/брожения выделяются газы, собрав которые, можно обеспечить нужды собственного хозяйства. Оборудование, в котором происходит данный процесс называю «биогазовая установка».

Процесс образования биогаза происходит за счет жизнедеятельности разного рода бактерий, которые содержатся в самих отходах. Но для того чтобы они активно «работали» необходимо им создать определенные условия: влажность и температуру. Для их создания строятся биогазовая установка. Это комплекс устройств, основа которого — биореактор, в котором и происходит разложение отходов, который сопровождается газообразованием.

Различают три режима переработки навоза в биогаз:

Психофильный режим. Температура в биогазовой установке от +5°C до +20°C. При таких условиях процесс разложения идет медленно,газа образуется намного, его качество низкое.
Мезофильный. На этот режим установка выходит при температуре от +30°C до +40°C. В этом случае активно размножаются мезофильные бактерии. Газа при этом образуется больше, процесс переработки занимает меньше времени — от 10 до 20 дней.
Термофильный. Эти бактерии размножаются при температуре от +50°C. Процесс идет быстрее всего (3-5 дней), выход газа — самый большой (при идеальных условиях с 1 кг завоза можно получить до 4,5 литров газа). Большинство справочных таблиц по выходу газа от переработки даны именно для этого режима, так что при использовании других режимов стоит делать корректировку в меньшую сторону.

Сложнее всего в биогазовых установках реализуется термофильный режим. Тут требуется качественная теплоизоляция биогазовой установки, подогрев и система контроля за температурой. Зато на выходе получаем максимальное количество биогаза. Еще одна особенность термофильной переработки — невозможность дозагрузки. Остальные два режима — психофильный и мезофильный — позволяют ежедневно добавлять свежую порцию подготовленного сырья. Но, при термофильном режиме, малый срок переработки позволяет разделить биореактор на зоны, в которых будет перерабатываться своя доля сырья с разными сроками загрузки.

Схема биогазовой установки

Основа биогазовой установки — биореактор или бункер. В нем происходит процесс брожения, в нем же скапливается полученный газ. Также есть бункер загрузки и выгрузки, выработанный газ выводится через вставленную в верхнюю часть трубу. Далее идет система доработки газа — ее очистка и повышение давления в газопроводе до рабочего.

Для мезофильных и термофильных режимов необходима также система подогрева биореактора — для выхода на требуемые режимы. Для этого обычно используются газовые котлы, работающие на произведенном топливе. От него система трубопроводов идет в биореактор. Обычно это полимерные трубы, так как они лучше всего переносят нахождение в агрессивной среде.

Еще биогазовая установка нуждается в системе для перемешивания субстанции. При брожении вверху образуется твердая корка, тяжелые частицы оседают вниз. Все это вместе ухудшает процесс газообразования. Для поддержания однородного состояния перерабатываемой массы и необходимы мешалки. Они могут быть механическими и даже ручными. Могут запускаться по таймеру или вручную. Все зависит от того, как сделана биогазовая установка. Автоматизированная система более дорога при монтаже, но требует минимума внимания при эксплуатации.

Биогазовая установка по типу расположения может быть:

Надземной.
Полузаглубленной.
Заглубленной.

Более затратны в установке заглубленные — требуется большой объем земельных работ. Но при эксплуатации в наших условиях они лучше — проще организовать утепление, меньше расходы на подогрев.

Что можно перерабатывать

Биогазовая установка по сути всеядна — перерабатываться может любая органика. Подходит любой навоз и моча, растительные остатки. Негативно влияют на процесс моющие вещества, антибиотики, химия. Их поступление желательно минимизировать, так как они убивают флору, которая занимается переработкой.

Идеальным считается навоз КРС, так как в нем содержатся микроорганизмы в большом количестве. Если в хозяйстве нет коров, при загрузке биореактора желательно добавить некоторую часть помета, для заселения субстрата требуемой микрофлорой. Растительные остатки предварительно измельчаются, разводятся с водой. В биореакторе смешиваются растительное сырье и экскременты. Такая «заправка» перерабатывается дольше, но на выходе при правильном режиме, имеем наибольший выход продукта.

Определение местоположения

Чтобы минимизировать затраты на организацию процесса, имеет смысл расположить биогазовую установку неподалеку от источника отходов — возле построек, где содержится птица или животные. Разработать конструкцию желательно так, чтобы загрузка происходила самотеком. Из коровника или свинарника можно проложить под уклоном трубопровод, по которому навоз будет самотеком поступать в бункер. Это существенно облегчает задачу по обслуживанию реактора, да и уборку навоза тоже.

Наиболее целесообразно расположить биогазовую установку так, чтобы отходы с фермы могли поступать самотеком

Обычно строения с животными находятся на некотором отдалении от жилого дома. Потому выработанный газ нужно будет передавать к потребителям. Но протянуть одну газовую трубу дешевле и проще, чем организовывать линию по транспортировке и загрузке навоза.

Биореактор

К емкости для переработки навоза предъявляются довольно жесткие требования:

Все эти требования по строительству биогазовой установки должны выполняться, так как они обеспечивают безопасность и создают нормальные условия для переработки навоза в биогаз.

Из каких материалов можно сделать

Стойкость к агрессивных средам — это основное требование к материалам, из которых можно сделать емкость. Субстрат в биореакторе может иметь кислую или щелочную реакцию. Соответственно материал, из которого изготавливают емкость, должен хорошо переносить различные среды.

Этим запросам отвечают не так много материалов. Первое что приходит на ум — металл. Он прочен, из него можно сделать емкость любой формы. Что хорошо, что использовать можно готовую емкость — какую-то старую цистерну. В этом случае строительство биогазовой установки займет совсем немного времени. Недостаток металла — он вступает в реакцию с химически активными веществами и начинает разрушаться. Для нейтрализации данного минуса металл покрывается защитным покрытием.

Отличный вариант — емкость биореактора из полимера. Пластик химически нейтрален, не гниет, не ржавеет. Только надо выбирать из таких материалов, которые выносят заморозку и нагрев до достаточно высоких температур. Стенки реактора должны быть толстыми, желательно армированными стекловолокном. Такие емкости недешевы, зато они служат долго.

Более дешевый вариант — биогазовая установка с емкостью из кирпича, бетонных блоков, камня. Для того чтобы кладка выдерживала высокие нагрузки, необходимо армирование кладки (в каждом 3-5 ряду в зависимости от толщины стены и материала). После завершения процесса возведения стен для обеспечения водо- и газо- непроницаемости необходима последующая многослойная обработка стен как изнутри, так и снаружи. Стены штукатурят цементно-песчаным составом с добавками (присадками), обеспечивающими требуемые свойства.

Определение размеров реактора

Объем реактора зависит от выбранной температуры переработки навоза в биогаз. Чаще всего выбирается мезофильная — ее легче поддерживать и она предполагает возможность ежедневной дозагрузки реактора. Выработка биогаза после выхода на нормальный режим (порядка 2 дней) идет стабильно, без всплесков и провалов (при создании нормальных условий). В этом случае имеет смысл рассчитать объем биогазовой установки в зависимости от количества навоза, образующегося в хозяйстве за сутки. Все легко подсчитывается, исходя из среднестатистических данных.

Разложение навоза при мезофильных температурах идет от 10 до 20 дней. Соответственно, объем рассчитывается умножением на 10 или 20. При расчете необходимо учитывать количество воды, которое необходимо для приведения субстрата к идеальному состоянию — его влажность должна быть 85-90%. Найденный объем увеличивают на 50%, так как максимальная загрузка не должна превышать 2/3 по объему резервуара — под потолком должен скапливаться газ.

Например, в хозяйстве 5 коров, 10 свиней и 40 кур. За сути образуется 5 * 55 кг + 10 * 4,5 кг + 40 * 0,17 кг = 275 кг + 45 кг + 6,8 кг = 326,8 кг. Чтобы привести куриный помет к влажности 85% необходимо добавить чуть больше 5 литров воды (это еще 5 кг). Итого общая масса получается 331,8 кг. Для переработки за 20 дней необходимо: 331,8 кг * 20 = 6636 кг — около 7 кубов только под субстрат. Найденную цифру умножаем на 1,5 (увеличиваем на 50%), получаем 10,5 куб. Это и будет расчетная величина объема реактора биогазовой установки.

Люки загрузки и разгрузки ведут непосредственно в емкость биореактора. Для того чтобы субстрат равномерно распределялся по всей площади, делают их в противоположных концах емкости.

При заглубленном способе установки биогазовой установки, загрузочные и разгрузочные трубы подходят к корпусу под острым углом. Причем нижний конец трубы должен находится ниже уровня жидкости в реакторе. Таким образом исключается попадание воздуха в емкость. Также на трубах ставят поворотные или отсечные задвижки, которые в нормальном положении закрыты. Открываются они только на время загрузки или выгрузки.

Так как в навозе могут содержаться крупные фрагменты (элементы подстилки, стебли травы и т.д.), трубы малого диаметра будут часто забиваться. Потому для загрузки-выгрузки они должны быть диаметром 20-30 см. Монтировать их необходимо до начала работ по утеплению биогазовой установки, но после того, как емкость установлена на место.

Наиболее удобный режим работы биогазовой установки — с регулярной загрузкой и выгрузкой субстрата. Данная операция может проводится раз в сутки или раз в двое суток. Навоз и другие компоненты предварительно собираются в накопительной емкости, где доводятся до требуемого состояний — измельчаются, при необходимости увлажняются и перемешиваются. Для удобства в данной емкости может быть механическая мешалка. Подготовленный субстрат выливается в приемный люк. Если расположить приемную емкость на солнце, субстрат будет предварительно нагреваться, что уменьшит затраты на поддержание требуемой температуры.

Глубину установки приемного бункера желательно рассчитать так, чтобы отходы стекали в него самотеком. То же касается выгрузки в биореактор. Лучший случай, если подготовленный субстрат будет двигаться самотеком. А отгораживать его на время подготовки будет заслонка.

Для обеспечения герметичности биогазовой установки, люки на приемном бункере и в зоне выгрузки должны иметь герметизирующий резиновый уплотнитель. Чем меньше будет в емкости воздуха, тем чище будет газ на выходе.

Сбор и отвод биогаза

Отведение биогаза из реактора происходит через трубу, один конец которой находится под крышей, второй обычно опущен в гидрозатвор. Это емкость с водой, в которую выводится полученный биогаз. В гидрозатворе есть вторая труба — она находится выше уровня жидкости. В нее выходит уже более чистый биогаз. На выходе их биореактора устанавливается отсечной газовый кран. Лучший вариант — шаровый.

Какие материалы можно использовать для системы передачи газа? Гальванизированные металлические трубы и газовые трубы из ПНД или ППР. Они должны обеспечивать герметичность, швы и стыки проверяются при помощи мыльной пены. Весь трубопровод собирается из труб и арматуры одного диаметра. Без сужений и расширений.

Очищение от примесей

Примерный состав получаемого биогаза такой:

метан — до 60%;
углекислый газ — 35%;
другие газообразные вещества (в том числе и сероводород, придающий газу неприятный запах) — 5%.

Для того чтобы биогаз не имел запаха и хорошо горел, необходимо удалить из него углекислый газ, сероводород, пары воды. Удаление углекислого газа происходит в гидрозатворе, если на дно установки добавить гашеную известь. Такую закладку придется периодически менять (как станет газ гореть хуже — пора менять).

Осушение газа можно сделать двумя способами — сделав в газопроводе гидрозатворы — вставив в трубу изогнутые участки под гидрозатворы, в которых будет скапливаться конденсат. Недостаток такого способа — необходимость регулярного опорожнения гидрозатвора — при большом количестве собранной воды она может заблокировать проход газа.

Второй способ — поставить фильтр с силикагелем. Принцип тот же, что и в гидрозатворе — газ подается в силикагель, отводится осушенный из-под крышки. При таком способе осушения биогаза, силикагель приходится периодически осушать. Для этого его требуется прогреть некоторое время в микроволновке. Он нагревается, влага испаряется. Можно засыпать и снова использовать.

Для удаления сероводорода используется фильтр с загрузкой из металлической стружки. Можно в емкость загрузить старые металлические мочалки. Очищение происходит точно также: газ подается в нижнюю часть заполненной металлом емкости. Проходя, он очищается от сероводорода, собирается в верхней свободной части фильтра, откуда выводится по через другую трубу/шланг.

Газгольдер и компрессор

Прошедший очистку биогаз поступает в емкость для хранения — газгольдер. Это может быть герметичный полиэтиленовый мешок, пластиковая емкость. Основное условие — газонепроницаемость, форма и материал не имеют значения. В газгольдере хранится запас биогаза. Из него, при помощи компрессора, газ под определенным давлением (задается компрессором) поступает уже к потребителю — на газовую плиту или котел. Этот газ также может использоваться для выработки электроэнергии при помощи генератора.

Для создания стабильного давления в системе после компрессора желательно установить ресивер — небольшое устройство для нивелирования скачков давления.

Устройства для перемешивания

Чтобы биогазовая установка работала в нормальном режиме, необходимо регулярное перемешивание жидкости в биореакторе. Этот несложный процесс решает множество задач:

перемешивает свежую порцию загрузки с колонией бактерий;
способствует высвобождению выработанного газа;
выравнивает температуру жидкости, исключая более прогретые и более холодные участки;
поддерживает однородность субстрата, предотвращая оседание или всплытие некоторых составляющих.

Обычно небольшая самодельная биогазовая установка имеет механические мешалки, которые приводятся в движение при помощи мускульной силы. В системах с большим объемом приводить в движение мешалки могут моторы, которые включаются таймером.

Второй способ — перемешивать жидкость, пропуская через нее част выработанного газа. Для этого после выхода из метатенка ставится тройник и часть газа полается в нижнюю часть реактора, где через трубку с дырками выходит. Эту часть газа нельзя считать расходом, так как он все равно снова попадает в систему и, в результате, оказывается в газгольдере.

Третий способ перемешивания — при помощи фекальных насосов перекачивать субстрат их нижней части, выливать его вверху. Недостаток этого способа — зависимость от наличия электроэнергии.

Система подогрева и теплоизоляция

Без подогрева перерабатываемой жижи размножаться будут психофильные бактерии. Процесс переработки в этом случае займет от 30 дней, а выход газа будет небольшим. Летом, при наличии теплоизоляции и предварительном подогреве загрузки возможен выход на температуры до 40 градусов, когда начинается развитие мезофильных бактерий, но зимой такая установка практически неработоспособна — процессы протекают очень вяло. При температуре ниже +5°C они практически замирают.

Чем греть и где расположить

Для получения лучших результатов используют подогрев. Наиболее рациональный — водяной подогрев от котла. Работать котел может на электричестве, твердом или жидком топливе, также можно запустить его на вырабатываемом биогазе. Максимальная температура, до которой требуется греть воду — +60°C. Более горячие трубы могут вызвать налипание на поверхность частиц, что приведет к снижению эффективности обогрева.

Можно использовать и прямой подогрев — вставить ТЭНы, но во-первых, сложно организовать перемешивание, во-вторых, на поверхности будет налипать субстрат, снижая теплоотдачу, ТЭНы будут быстро перегорать

Обогреваться биогазовая установка может с использованием стандартных радиаторов отопления, просто трубами, закрученными в змеевик, сварными регистрами. Трубы использовать лучше полимерные — металлопластиковые или полипропиленовые. Подходят также трубы из гофрированной нержавейки, их проще укладывать, особенно в цилиндрических вертикальных биореакторах, но гофрированная поверхность провоцирует налипание осадка, что не очень хорошо для теплоотдачи.

Чтобы снизить возможность осаждения частиц на греющих элементах, их располагают в зоне мешалки. Только при этом надо все спроектировать так, чтобы мешалка не могла задеть трубы. Часто кажется, что лучше нагреватели расположить снизу, но практика показала, что из-за осадка на дне такой обогрев неэффективен. Так что более рационально располагать нагреватели на стенках метатэнка биогазовой установки.

Способы водяного обогрева

По способу расположения труб обогрев может быть наружным или внутренним. При внутреннем расположении обогрев эффективен, но ремонт и обслуживание нагревателей невозможны без останова и откачки системы. Потому подбору материалов и качеству выполнения соединений уделяют особое внимание.

Обогрев повышает производительность биогазовой установки и сокращает сроки переработки сырья

При наружном расположении обогревателей, требуется больше тепла (затраты на подогрев содержимого биогазовой установки намного выше), так как много тепла уходит на обогрев стенок. Зато система всегда доступна для ремонта, а прогрев более равномерный, так как греется среда от стенок. Еще один плюс такого решения — мешалки не могут повредить систему обогрева.

Чем утеплять

На дно котлована насыпается сначала выравнивающий слой песка, затем теплоизоляционный слой. Это может быть глина, перемешанная с соломой и керамзитом, шлаком. Все эти компоненты можно смешать, можно насыпать отдельными слоями. Их выравнивают в горизонт, устанавливают емкость биогазовой установки.

Бока биореактора можно утеплять современными материалами или классическими дедовскими методами. Из дедовских методов — обмазка глиной с соломой. Наносится в несколько слоев.

Из современных материалов можно использовать экструдированный пенополистирол высокой плотности, газобетонные блоки малой плотности, . Наиболее технологичен в данном случае пенополиуретан (ППУ), но услуги по его нанесению недешевы. Зато получается бесшовная теплоизоляция, которая минимизирует затраты на обогрев. Есть еще один теплоизоляционный материал — вспененное стекло. В плитах он очень дорог, но его бой или крошка стоит совсем немного, а по характеристикам он почти идеален: не впитывает влагу, не боится замерзания, хорошо переносит статические нагрузки, имеет низкую теплопроводность.

С каждым днем количество потребления электроэнергии непрестанно растет. Возрастают и нормы потребления, однако рано или поздно сырье для выработки электричества закончится. Хорошей альтернативой различному сырью для электроэнергии может стать биогаз.

Что такое биогаз?

Биогаз – альтернативный, нетрадиционный источник энергии. Такой вид добычи энергии был известен еще во времена Древнего Китая, однако после долгих лет он был благополучно забыт. А как говориться: «Все новое – хорошо забытое старое».

Биогаз – продукт, получаемый в результате анаэробной ферментации органических веществ. Весь этот процесс происходит без участия воздуха.

Примером биогаза может служить газ, который выделяется при ферментации навоза или других бытовых отходов. Такой газ вполне может послужить источником энергии в сельском хозяйстве.

Как производится биогаз?

Производство биогаза - способ переработки различных органических и животных отходов с получением биотоплива и органических удобрений. Такой вид получения энергии – решение многих вопросов: экологии, капитала и агрохимии. В основе биохимической реакции лежат процессы гниения навоза и помета в анаэробных условиях. При этом используется группа анаэробных микробов, которые помогают преобразовывать фосфорсодержащие, калийсодержащие и азотсодержащие в чистые формы. Такие формы фосфора, калия и азота намного лучше всасываются растениями, а также полностью уничтожают вредителей. Конечно, для того, чтобы удобрять землю, лучше использовать отходы от производства биогаза. Так вы не используете ни нитраты, ни нитриты.

Так выглядит процесс производства биогаза

Емкость, в которой происходит получение биогаза, называется метантенком, или реактором . Если следовать правилам производства, выход биогаза составляет около двух-трех м3 с одного м3 органических отходов.

Факторы, которые оказывают влияние на процесс брожения:

уровень рН;
температура;
соотношение углерода, азота и фосфора;
площадь поверхности частиц сырья;
влажность среды;
частота подачи субстрата;
замедляющие вещества;
стимулирующие добавки.

Характеристика биогаза

Биогаз - смесь углекислого газа и метана. Является продуктом метанового брожения органических веществ животного и растительного происхождения. Метановое брожение является результатом природного действия анаэробных бактерий. Данный процесс протекает при температурах от 15 до 60 градусов в трех диапазонах:

15-30 градусов - психрофильное;
30-45 градусов - мезофильное;
45-60 градусов - термофильное.

Распад органических веществ состоит из трех этапов:

растворение и гидролиз органических соединений;
ацидогенез;
метаногенез.

Влажность воздуха должна составлять от 10 до 98 %, оптимальная - 91-92 %. Содержание метана в биогазе зависит от химического состава сырья и может составлять 55-90 %.

Как очистить биогаз от примесей?

Одностадийная очистка биогаза, или регенеративная, включает в себя избавление от примесей, до тех пор, пока биогаз не приобретет состояние биометана. После такой очистки биометан может запросто служить топливом для мотора автомобиля или использоваться в системе газоснабжения.

Принцип действия данного способа заключается в следующем:

биогаз сжимается до давления в 9-11 бар;
такой газ подается в очистную колонну и под давлением холодной воды очищается;

Таким образом, углекислый газ и примеси сероводорода удаляются благодаря их хорошей растворимости в воде. Главное преимущество такой очистки – это низкие затраты, так как главным компонентом очистки биогаза является вода.

Как уменьшить содержание влаги в биогазе?

Уменьшение доли влаги в биогазе можно произвести только механическим путем при помощи специализированного оборудования. Самый простой метод очистки от влаги – это изменение температуры. Под воздействием холодной температуры влага конденсирует в пар. После такой процедуры содержание влаги в газе сократиться в 3-5 раз. Биогаз пропускают в подземную трубу, там вода опускается вниз. Затем температура повышается, что дает газу возможность подняться выше и согреться.

Где применяется биогаз?

Как уже было сказано, биогаз – сырьё для производства электроэнергии и автомобильного топлива.
На предприятиях использование биогаза поможет сэкономить огромную сумму. А все это потому, что вам не нужно будет строить газопровод, электрические линии, контейнеры для отходов. Такая установка поможет вам сэкономить около 30-40% от стоимости всей биогазовой системы.
Биогазовые сооружения могут использоваться в качестве очистных сооружений. Установив биогазовую установку на ферме, заводе или комбинате, вы не только сможете избавляться от мусора навсегда, но и еще получать за это сырьё для электроэнергии и топлива.

Как установить биогазовую установку своими руками?

Процесс производства биогаза в домашних условиях достаточно трудоемкий. Поэтому задумайтесь, сможете ли вы осилить данную задачу. Такая установка по производству биогаза поможет сэкономить вам деньги на топливе и электроэнергии .

Для производства биогаза нужна специальная установка, которую можно сделать из старых и уже ненужных вещей. Из старых выварок и металлических кастрюль можно создать реактор будущей установки. Оптимальной формой является цилиндр.

Главные требования к будущему реактору:

водо- и гидронепроницаемость. Смешивание воздуха и газа при брожении – просто опасно. Ваш реактор может треснуть или, в худшем случае, взорваться. Поэтому для пущей безопасности нужно установить герметичную прокладку между крышкой и корпусом;
достаточная теплоизоляция;
быть надежным. Во время реакций, благодаря которым и производится биогаз, выделяется большое количество газа. Давление может сыграть злую шутку с вашим реактором, и он может даже взорваться.

Для получения биогаза потребуется:

смешать 2 тонны навоза и 4 тонны перегноя;
добавить в смесь воды;
заложить смесь в яму и с помощью обогревательных установок разогреть до 45°С. Дальше смесь начнет бродить и без доступа воздуха сама разогреется до 80°С;

Чтобы давление газа не взорвало реактор, рекомендуется с помощью тросов прикрепить противовес. Шести тонн смеси установке хватает на шесть месяцев работы.

Если говорить простым языком, в яму устанавливается герметичный резервуар, который выполняет функцию реактора. В нем складываются органические отходы. В такой установке обязательным является отвод для газа.

Вам теперь остается только ждать, когда же микроорганизмы проделают свою работу и пробродят массу. После этого вы сможете получить биогаз. А отходы от производства биогаза могут стать отличным удобрением.

После того, как микроорганизмы все-таки перебродили эту массу, ее нужно выгрузить. Делать это нужно через специальное отверстие. Сброженную массу нужно временно поместить в емкость, которая должна быть по объему не меньше реактора.

Для самостоятельного производства биогазовой установки рекомендуется придерживаться следующей поочередности:

выберете место для установки будущего реактора, а также рассчитайте суточное количество отходов, чтобы определиться с объемом реактора;
проделайте монтаж загрузочной и выгрузочной труб и подготовьте котловану для биогазовой установки;
установить загрузочный бункер и газоотводную трубу;
установить крышку люка, которая будет использоваться для обслуживания и ремонта реактора.
проверить реактор на герметичность и теплоизоляцию.

Лучше всего делать стенки реактора из бетона, чтобы они были более герметичными и надежными. В массе, которую вы загружаете в биогазовую установку, не должно быть антибиотиков и растворителей. Они негативно сказываются на работе микроорганизмов.

Создавая такую установку, помните о технике безопасности. Не нужно ставить ее вблизи дома или хозяйственных помещений.

овые установки. Алеманам, населявшим заболоченные земли бассейна Эльбы, чудились Драконы в корягах на болоте. Они полагали, что горючий газ скапливающийся в ямах на болотах - это дурно пахнущее дыхание Дракона. Чтобы задобрить Дракона в болото бросались жертвоприношения и остатки пищи. Люди верили, что Дракон приходит ночью и его дыхание остается в ямах. Алеманы додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото, отводить газ по кожаным же трубкам к своему жилищу и сжигать его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал проблему.Человечество научилось использовать биогаз давно. В Китае его история насчитывает 5 тыс. лет, в Индии – 2 тыс. лет.

Природа биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась. Но современные наука и техника создали оборудование и системы, позволяющие сделать эти “древние” технологии рентабельными и с широким спектром применения.

Биогаз - газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий.

Биогазовая установка – установка для производства биогаза и других ценных побочных продуктов путем переработки отходов сельскохозяйственного производства, пищевой промышленности, городского хозяйства.

Получение биогаза из органических отходов имеет следующие положительные особенности:

осуществляется санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и коммунально-бытовых), содержание органических веществ снижается до 10 раз;
анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства и активного ила позволяет получать уже готовые к использованию минеральные удобрения с высоким содержанием азотной и фосфорной составляющей (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30-40% азота);
при метановом брожении высокий (80-90%) КПД превращения энергии органических веществ в биогаз;
биогаз с высокой эффективностью может быть использован для получения тепловой и электрической энергии, а также в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания;
биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов и сложной инфраструктуры;
биогазовые установки могут частично или полностью заменить устаревшие региональные котельные и обеспечить электроэнергией и теплом близлежащие деревни, поселки, небольшие города.

Выгоды, которые получает владелец биогазовой установки

Прямые

производство биогаза (метана)
производство электричества и тепла
производство экологически чистых удобрений

Косвенные

независимость от централизованных сетей, тарифов естественных монополий, полное самообеспечение электроэнергий и теплом
решение всех экологических проблем предприятия
значительное снижение затрат на захоронение, вывоз, утилизацию отходов
возможность собственного производства моторного топлива
снижение затрат на персонал

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании - биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия - 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи.

Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае - более 10 млн (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн крестьян. В конце 2006 года в Китае действовало уже около 18 млн биогазовых установок. Их применение позволяет заменить 10,9 млн тонн условного топлива.

Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна. По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10 % автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.

Муниципалитет Осло в начале 2009 года перевёл на биогаз 80 городских автобусов. Стоимость биогаза составляет €0,4 - €0,5 за литр в бензиновом эквиваленте. При успешном завершении испытний на биогаз будут переведены 400 автобусов.

Потенциал

Россия ежегодно накапливает до 300 млн т в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн т в сельскохозяйственном производстве, 50 млн т в виде бытового мусора. Эти отходы могут быть сырьём для производства биогаза. Потенциальный объём ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд м³.

В США выращивается около 8,5 миллионов коров. Биогаза, получаемого из их навоза, будет достаточно для обеспечения топливом 1 миллиона автомобилей.

Потенциал биогазовой индустрии Германии оценивается в 100 миллиардов кВт·ч энергии к 2030 году, что будет составлять около 10% от потребляемой страной энергии.

По данным на 1 февраля 2009 г. в Украине в действии и в стадии ввода в действие находится 8 объектов агропромышленного комплекса по производству биогаза. На стадии проработки находятся еще 15 проектов биогазовых установок. В частности, в 2009-2010 гг. планируется внедрить производство биогаза на 10 спиртовых заводах, что позволит предприятиям сократить потребление природного газа на 40%.

По материалам