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.

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

В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих.
Первый вид - бактерии гидролизные, второй - кислотообразующие, третий - метанообразующие.
В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. В процессе брожения из биоотходов вырабатывается биогаз. Этот газ может использоваться как обычный природный газ - для обогрева, выработки электроэнергии. Его можно сжимать, использовать для заправки автомобиля, накапливать, перекачивать. По сути, как хозяин и полноправный владелец вы получаете собственную газовую скважину и доходы от нее. Регистрировать собственную установку пока еще нигде не нужно.

Состав и качество биогаза

50-87% метана, 13-50% СO2, незначительные примеси Н2 и H2S. После очистки биогаза от СO2 получается биометан; это - полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.
Поскольку лишь метан поставляет энергию из биогаза, целесообразно для описания качества газа, выхода газа и количества газа все относить к метану, с его нормируемыми показателями.

Объем газов зависит от температуры и давления. Высокие температуры приводят к растяжению газа и к уменьшаемому вместе с объемом уровню калорийности, и наоборот. При возрастании влажности калорийность газа также снижается. Чтобы выходы газа можно было сравнить между собой, необходимо их соотносить с нормальным состоянием (температура 0 С, атмосферное давление 1 бар, относительная влажность газа 0%). В целом данные о производстве газа выражают в литрах (л) или кубометрах метана на килограмм органического сухого вещества (оСВ); это намного точнее и красноречивее, нежели данные в кубических метрах биогаза в кубометрах свежего субстрата.

Сырье для получения биогаза

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помет, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цехов (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов - соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля - технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков - жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки - мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов - очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа.

Расчет полезного биогаза в фермерском хозяйстве

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50-65 м3 биогаза с содержанием метана 60%, 150-500 м3 биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза - 1300 м3 с содержанием метана до 87% - можно получить из жира.
Различают теоретический (физически возможный) и технически реализуемый выход газа. В 1950-1970-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20-30% от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на обычной установке с 60% до 95%.

В биогазовых расчетах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Сама по себе вода, содержащаяся в биомассе, не дает газа.
На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 л биогаза.

Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные, а затем определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание, быстро разлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин).

Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить. Когда биогаз ассоциировался с навозом (на селе такая ситуация сохранилась и сегодня - спрашивал в таежном районном центре, Верховажье Вологодской области), применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться.

А ведь, кроме отходов, биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, к примеру из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 500 м3 из 1 т.

Свалочный газ - одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

Экологический аспект в использовании биогаза

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз сильнее, чем смесь СO2, и находится в атмосфере до 12 лет. Захват и ограничение распространения метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления. Вот где на стыке исследований выявляется еще одна, мало исследования пока область науки.

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

Производство биогаза

Различают промышленные и кустарные установки.
Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространенный промышленный метод - анаэробное сбраживание в метантенках.

Надежная биогазовая установка должна иметь необходимые части:

Емкость гомогенизации;
загрузчик твердого (жидкого) сырья;
непосредственно реактор;
мешалки;
газгольдер;
система смешивания воды и отопления;
газовая система;
насосная станция;
сепаратор;
приборы контроля;
система безопасности.

Особенности установки по производству биогаза

В промышленной установке отходы (сырье) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный железобетонный резервуар, оборудованный миксерами.

В реакторе «живут» полезные бактерии, которые питаются отходами. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма - отходов, подогрев до 35 °С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, практически герметичен и неопасен.

Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология.

К примеру, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Он позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей.

Знаковые факторы, влияющие на процесс брожения:

Температура;
влажность среды;
уровень рН;
соотношение С: N: Р;
площадь поверхности частиц сырья;
частота подачи субстрата;
замедляющие реакцию вещества;
стимулирующие добавки.

Применение биогаза

Биогаз используют в качестве топлива для производства электроэнергии, тепла или пара или в качестве автомобильного топлива. Биогазовые установки могут использоваться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах и как частный случай могут заменить даже ветеринарно-санитарный завод, где падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясокостной муки.

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.

Поэтому в нашем материале речь пойдет о технологии получения биогаза, также мы расскажем о том, как соорудить биоэнергетическую установку.

Механизм образования газа из органического сырья

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, 1м 3 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.

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

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 м 3 биогаза, из которого в свою очередь можно выработать 3 кВт/ч электроэнергии.

Используя данные из таблицы, нетрудно рассчитать, сколько м 3 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 м 3 газа в день, что вполне хватало для обогрева дома и хозпостроек в течение полугода.

Варианты 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 простейший вариант, который 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.

Мини-завод по производству газа на покрытие нужд небольшого частного хозяйства можно сделать собственноручно, ориентируясь на конструкцию и специфику устройства установок, выпускаемых в промышленном масштабе.

Конструкции установок для переработки навоза и растительной органики в биогаз не отличаются сложностью. Выпущенный промышленностью оригинал вполне подойдет в качестве шаблона для сооружения собственного мини-завода

Самостоятельным мастерам, решившим заняться сооружением собственной установки, надо запастись емкостью для воды, водопроводными или канализационными пластиковыми трубами, угловыми отводами, уплотнителями и баллоном для хранения полученного в установке газа.

Галерея изображений

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 установки

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 должен 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 отработанной массы 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 , осуществлять прямой нагрев электрическими отопительными приборами или встроить в основание емкости нагревательный элемент.

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

Определение требующегося объема

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 подземного сооружения

Теперь поговорим о простейшей установке, позволяющей получить с наименьшими затратами. Рассмотрим строительство подземной системы. 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 отработанной массы.

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, имеющий купольную или конусную форму. Он 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.

Выводы и полезное видео по теме

Как сделать самую простейшую установку из обычной бочки, вы узнаете, если посмотрите видео:

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.

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

Состав биогаза.

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

Микробиология биогаза.

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

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

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

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

Классификация и характеристика сырья для ферментации биогаза.

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

Источники сырья для биогаза в зависимости от происхождения:

1.Сельскохозяйственное сырье.

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

Сырье с большим содержанием азота:

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

Сырье с большим содержанием углерода:

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

2. Городские органические водные отходы.

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

3. Водные растения.

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

Источники сырья для биогаза в зависимости от влажности:

1.Твердое сырье:

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

2. Жидкое сырье:

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

3. Органические отходы средней влажности:

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

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

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

Расчет процесса метанового брожения (ферментации).

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

Расчет сырья на цикл.

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

Расчет скорости загрузки.

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

Расчет отношения объема реактора к выходу газа.

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

Выход биогаза на единицу массы брожения.

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

Теоретический выход биогаза определяется по формулам:

Производство метана (Е):

Е = 0.37A + 0.49B + 1.04C.

Производство углекислого газа (D):

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

Гидравлический объем.

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

Удаление органических загрязнений.

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

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

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

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

Достоинства биогазовых энергетических установок:

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

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

в процессе брожения семена сорняков и некоторые из возбудителей погибают;

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

ферментационный остаток может быть использован в качестве корма для животных;

для биогазового брожения не требуется применение кислорода из воздуха;

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

Недостатки биогазовых энергетических установок:

сложное устройство и требует относительно больших инвестиций в строительство;

требуется высокий уровень строительства, управления и обслуживания;

первоначальное анаэробное распространение брожения происходит медленно.

Особенности процесса метанового брожения и управление процессом:

1.Температура получения биогаза.

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

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

2. Прививочный материал.

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

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

3. Анаэробная среда.

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

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

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

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

Мерами по смягчению последствий повышенной кислотности рН являются:

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

(2) Внести золу или аммиак для повышения рН.

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

5. Перемешивание среды в биогазовом реакторе.

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

Цель перемешивания:

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

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

Способы перемешивания:

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

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

3) перемешивание циркулирующим гидравлическим насосом.

6. Соотношение углерода к азоту.

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

7. Давление.

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

Способы стабилизации давления:

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

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

8. Активаторы и ингибиторы.

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

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

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

Классификация процессов брожения.

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

Классификация по температуре брожения.

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

Классификация по дифференциальности.

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

1) Одноступенчатое брожение.

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

2) Двухступенчатое брожение.

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

3) Многоступенчатое брожение.

Применяется для первичного сырья богатого целлюлозой в следующей последовательности:

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

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

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

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

Классификация по переодичности.

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

1) Периодическое брожение.

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

2) Непрерывное брожение.

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

3) Полунепрерывное брожение.

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

Схема №1. Биогазовый реактор с неподвижной крышкой.

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

Принцип действия:

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

Схема№2. Биогазовый реактор с плавающей крышкой.

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

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

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

Руководство по строительству бытового биогазового реактора.

GB/T 4750-2002 Бытовые биогазовые реакторы.

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

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

GB 175 -1999 Портландцемент, портландцемент обыкновенный.

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

GB 50203-1998 Строительство каменной кладки и приемка.

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

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

JGJ81 -1985 Механические характеристики обыкновенного бетона. Метод испытаний.

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

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

GB 5101-1998 Кирпичи.

GB 50164-92 Контроль качества бетона.

Воздухонепроницаемость.

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

Единица производства биогаза на объем реактора.

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

Нормальный объем газового хранилища составляет 50% суточного производства биогаза.

Коэффициент запаса прочности не менее K=2,65.

Нормальный срок эксплуатации не менее 20 лет.

Живая нагрузка 2 kN/m 2 .

Значение несущей способности конструкции фундамента не менее 50 kPa.

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

Максимальный предел давления для бассейна не более 12000 Pa.

Минимальная толщина арочного свода реактора не менее 250 mm.

Максимальная загрузка реактора составляет 90% его объема.

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

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

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

Подготовка к строительству биогазового реактора.

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

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

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

Таблица3. Шкала материалов для биогазового реактора из сборных бетонных панелей

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

Таблица4. Шкала материалов для биогазового реактора из сборных железобетонных панелей

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

Таблица5. Шкала материалов для биогазового реактора из монолитного бетона

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

Таблица6. Условные обозначения на чертежах.

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

Конструкции биогазовых реакторов.

Особенности:

Тип конструктивной особенности основного бассейна.

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

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

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

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

Характеристики сбраживания:

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

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

Принципы проектирования.

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

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

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

Низкая стоимость, простота управления, широкое народное распространение.

Описание строительных материалов.

Материал стен, дна, свода биогазового реактора – бетон.

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

Последовательность строительных операций.

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

Строительные чертежи.

Строительство производится по чертежам №№1-9.

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

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

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

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

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

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

10.1. Общие сведения о получении биогаза

В последнее десятилетие большое внимание уделено развитию в нашей стране использованию нетрадиционых и возобносляемых источников энергии в связи с дефицитом собственных топливно-энергетических ресурсов. Одним из нетрадиционных и возобновляемых источников энергии может служить энергия получаемая из биомассы. Именно полученый в хозяйствах республики биогаз и выработка энергии из него позволит экономить природные н сжиженные газы.

Все источники биомассы можно разделить на три основные группы:

к первой группе относятся специально выращенные для энергетических целей наземные растения. Наибольшее значение имеют лесоводческие энергетические хозяйства для выращивания различных пород деревьев: быстрорастущая порода ивы (разработка белорусских ученых), эбеновое дерево, эвкалипт, пальма, гибридный тополь и др. Одним из перспективных энергетических культур является является земляная груша (топинамбур), сладкое сорго, сахарный тростник.

Ко второй группе источников биомассыотносится различные органические остатки и отходы:

а) биологические отходы животных (навоз крупного рогатого скота, помёт домашней птицы и др.);

б) остатки от сбора урожая сельскохозяйственных культур и побочные продукты их переработки, такие как солома ржи и пшеницы, кочерыжка кукурузного початка, стебель хлопка, скорлупа земляного ореха, отходы картофеля, рисовая шелуха и солома, лузга семечек, костра льна и др.;

в) отходы лесозаготовок, лесопиления и деревообработки: кора, опилки, древесные щепки, стружки;

г) промышленные сточные воды (в частности, текстильных, молочных, а так же других предприятий по переработке пищевых продуктов);

д) городские отходы (твёрдые и сточные воды).

Третья группа – это водные растения, в том числе морские водоросли, среди которых гигантские ламинарии (бурые водоросли), водяной гиацинт. Океан рассматривается как основной поставщик крупных морских бурых водорослей и водорослей обитающих на дне (бентические растения), а так же водорослей плавающих в стоячей воде. Кроме того анализируется возможность использования биомассы эстуарий солёных и пресноводных болот.

Энергетический потенциал водных растений довольно высок. Так, например свежие морские водоросли 29,2 т.н.э/га/год; водяной гиацинт -53,6 т.н.э/га/год, а сахарный тростник 40,0 т.н.э/га/год /21/, /26/.

В зависимости от влажности и степени биоразлагаемости биомасса перерабатывается термохимическими методами (прямое сжигание, газификация, пиролиз, ожижение) или биологическиеми (анаэробная переработка, этапольная ферментация). С их помощью, из биомассы можно получить различные конечные энергетические продукты, включая тепло, пар, низко- и высококалорийные газы и различные жидкие топлива. Одним из самых широко используемых методов переработки биомассы остаётся прямое сжигание с целью получения тепла или электроэнергии. Наиболее перспективным процессом превращения биомассы являются термохимическая газификация, ферментация и анаэробная переработка, в результате которых получают синтез-газ (метан). Для Беларуси перспективным может стать развитие биоэнергетики на основе обновляемого энергетического ресурса, такого как древесина. Сюда можно отнести и выращивание быстрорастущих сортов древесины. В Беларуси уже ведутся исследования по выращиванию энергетических плантаций канадской ивы и сахалинского горца Вейриха. Эти деревья способны обновляться в течении 25 лет, а обрубку и сбор топлива проводят через 3 года, причём один гектар плантации способен дать в среднем 20 м3 древесины. Так же изучаются возможности выращивания и целесообразности выращивания в наших климатических условиях сахалинского бамбука и Сильвии широколистной. Разрабатывается и получает широкое применение технология сжигания древесных гранул.

10.2. Получении биогаза при анаэробном сбраживании

Одним из способов получения биогаза является способ анаэробного (без доступа кислорода), сбраживании или ферментации (перепревании) органических веществ биологической массы самого различного происхождения при температуре 30÷370 °С, а так же при постоянном перемешивании загруженного сырья, переодической загрузке исходного сырья в ёмкость для ферментации и выгрузке сброженного материала /17, с.357-364/. Емкость, в которой происходит процесс сбраживания, называется метантенком или реактором . При соблюдении всех оговоренных выше условий под действием имеющихся в биомассе бактерий органические вещества разлагаются и образуют смесь газов, которая называется биогаз .Для получения биогаза могут быть использованы отходы обработки сельскохозяйственных культур - силос, солома, пищевые и другие отходы ферм, навоз, птичий помёт, сточных вод и тому подобное сырьё содержащее органические вещества. Важно, чтобы среда сырья была нейтральной, без веществ которые мешают действию бактеррий, например мыла, стиральных порошков, антибиотиков / 20/.

Биогаз содержит 50÷80 % метана (СН 4), 50÷20 % диоксида углерода (СО 2), 0÷3 % сероводорода (Н 2 S), а так же примесей: водорода, аммиака и окислов азота. Биогаз не имеет неприятного запаха. Теплота сгорания 1 м 3 биогаза достигает 21÷29 МДж, что примерно эквивалентно сжиганию 0,6 л бензина, 0,85 л спирта, 1,7 кг дров или использованию 1,4÷1,6 кВт*ч электроэнергии. Эффективность сбраживания зависит от соблюдения анаэробных условий, температурного режима и продолжительности сбраживания. Сбраживание навоза возможно при температуре 30÷35 °С (мезоф и льный реж и м брожен и я ) и 50÷60°С и выше (термоф и льный реж и м ).

Продолжительность сбраживания навоза зависят от вида биомассы. Для навоза крупного рогатого скота и куриного помета продолжительность составляет 20 суток (сут), свиного навоза - 10 сут. Активность микробной реакции в значительной мере определяется соотношением углерода и азота. Наиболее благоприятные условия при соотношении С/N == 10:16.

С 1 м 3 реактора выход биогаза достигает 2÷3 м 3 биогаза, от птичьего помёта - 6 м 3 /21/. В сутки от одного животного можно получить следующее количество биогаза: крупный рогатый скот (массой 500÷600 кг) - < 1,5 м 3 ; свиньи (массой 80÷100 кг) - 0,2 м 3 ; куры или кролики - 0,015 м 3 .

Данные об удельном выходе биогаза от различных сельскохозяйственных отходов приведены в таблице 15.1 /17, с.357/.

Энергию, которую получают от сжигания биогаза можно использовать для различных нужд сельского хозяйства. С помощъю приводимого газовым двигателем внутреннего сгорания электрического генератора можно получать электроэнергию. Недостатком является то, что часть выработанной энергии необходимо исполльзовать на работу самой биогазовой установки (в некоторых установка до 50 % вырабатываемой энергии).

Биогаз можно сжигать как топливо в горелках отопительных установок, водогрейных котлов, газовых плит и использовать в холодильных установках абсорбционного типа, в автотракторных двигателях, в агрегатах инфракрасного излучения. Карбюраторный двигатель легко переводнтся на газ, в том числе на биогаз. Для этого карбюратор заменяют на смеситель. Не представляет трудностей перевод дизельных двигателей на работу с газом. При переводе с дизельного топлива на природный газ мощность двигателя снижается на 20 %, с природного на биогаз - на 10 %. Расход биогаза составляет в среднем 0,65 м 3 /кВт ч. Давление газа перед двигателем должно быть не менее 0,4 кПа /17, с.358/.

В животноводстве для подогрева воды потребность в биогазе на одно животное в год составляет: дойной коровы - 21-30 м 3 , свиньн - 1,4-4,9 м 3 . Большие значения этих цифр относятся к малым фермам, меньшие - к средним.

Таблица 15.1.

Выход биогаэа из органических отходов

Потребность в биогазе для отопления доильных помещений равна: при числе коров 40 - 164/327 м 3 /год; при числе коров 60 - 212/410 м 3 /год; при числе коров 80 - 262/530 м 3 /год. В числителе указаны данные при температуре наружного воздуха до - 10 °С, в знаменателе - при температуре наружного воздуха t н ниже - 10°С.

Для отопления птичников при наружной температуре - 10°С и внутренней 18°С требуется примерно 1,2 м 3 /ч на 1000 голов.

Остаток (метатановую бражку) можно использовать в качестве удобрения.

Б и огазовые установк и (БГУ) в зависимости от особенностей технологической схемы бывают трех типов: непрерывные, периодические и аккумулятивные /17, с.360/.

При непрерывной (проточной) схеме (рис. 15.1) свежий субстрат загружают в камеру сбраживания непрерывно или через определенные промежутки времени (от 2 до 10 раз в сутки), удаляя такое же коли-чество сброженной массы. Эта система позволяет получить максимальное количество биогаза, но требует больше материальных расходов.

При периодической (циклической) схеме (рис. 15.2) имеются две камеры сбраживания, которые загружают по очереди. В данном случае полезный объем камер используется менее эффективно, чем при непрерывной. Кроме того, нужны значительные запасы навоза или другого субстрата для их заполнения.

При аккумулятивной схеме хранилище для навоза служит одновременно камерой сбраживания и хранения перебродившего навоза до его выгрузки (рис. 15.3).