Получение биогаза из навоза: основные принципы и устройства для его производства

Фермеры регулярно сталкиваются с задачей утилизации навоза, что влечет за собой значительные затраты на вывоз и захоронение этого органического материала. Однако существует метод, который позволяет не только сэкономить финансы, но и преобразовать этот природный продукт в ресурс, полезный для хозяйства.

Ответственные владельцы уже давно внедрили экотехнологии, позволяющие извлекать биогаз из навоза и использовать его в качестве экологически чистого топлива.

В данной статье мы рассмотрим технологический процесс получения биогаза, а также поделимся рекомендациями по созданию установки для его производства.

Преимущества биотехнологий

Идея получения биотоплива из природных источников имеет долгую историю. Исследования в данной области начались в конце восемнадцатого века и активно развивались в девятнадцатом. Первая установка для биоэнергетики в Советском Союзе была создана в сороковые годы двадцатого века.

Биотехнологии издавна применяются во многих странах, но сегодня они становятся особенно актуальными в условиях ухудшающейся экологической ситуации и растущих цен на энергоносители. Все больше людей обращаются к альтернативным источникам энергии и отопления.

Преобразование навоза в биогаз не только снижает выбросы метана в атмосферу, но также служит дополнительным источником тепла.

Несомненно, навоз – это ценное удобрение, и у личных фермеров, имеющих пару коров, обычно нет проблем с его использованием. Но ситуация меняется для крупных и средних хозяйств, где образуются тонны гниющего и неприятно пахнущего органического вещества.

Чтобы обеспечить высокое качество удобрений из навоза, необходимы площади с определенным температурным режимом, что ведёт к дополнительным затратам. Поэтому многие фермеры складируют навоз в произвольных местах и только затем вывозят его на поля.

Размер установки и ее степень автоматизации должны соответствовать количеству производимого сырья.

При неправильно организованном хранении навоз теряет до 40% азота и большую часть фосфора, что негативно сказывается на его качестве. В атмосфере при этом выделяется метан, который вредит окружающей среде.

Современные биотехнологические методы помогают не только уменьшить негативное влияние метана на экосистему, но и превращают его в пользу человека, обеспечивая при этом значительную экономию. Процесс переработки навоза приводит к образованию биогаза, который может быть использован для получения значительного объема электричества, а оставшиеся после обработки вещества становятся ценным анаэробным удобрением.

Организация системы по производству биогаза является экономически оправданным решением для фермерских предприятий. Если сырья предостаточно, оно может быть использовано в качестве удобрения.

Процесс, при котором навоз превращается в газ, дает возможность обеспечить тепло и энергию. После очистки полученный газ можно использовать для плиты, котла или в электрогенераторе.

Сборка простой установки для переработки доступна для самостоятельного выполнения, при этом ключевым элементом будет биореактор, который следует качественно утеплить и изолировать.

Тем, кто хочет ускорить процесс создания установки, подойдут пластиковые контейнеры заводского изготовления. В этом случае принципы проектирования остаются аналогичными.

Процесс образования биогаза из органических отходов

Биогаз представляет собой бесцветное и безвкусное вещество, состоящее до 70% из метана. Его качество близко к природному газу и он обладает высокой теплодобычей: 1 м³ биогаза выделяет столько тепла, сколько сгорание полутора килограммов угля.

Процесс образования биогаза осуществляется благодаря анаэробным бактериям, которые активно разлагают органические вещества, такие как навоз скота, птичий помет и растительные отходы.

В индивидуальных установках можно использовать птичий помет и отходы как мелкого, так и крупного животноводства. Сырье может применяться в чистом виде или комбинироваться с травами, листвой и даже старой бумагой.

Для ускорения биогазового процесса необходимо создать оптимальные условия для бактерий, такие как те, которые имеются в желудках животных, где тепло и нет кислорода.

Итак, чтобы гниющий навоз превратился в чистое топливо и удобрения, необходимо два главных условия.

Для производства биогаза требуется герметичный реактор без доступа воздуха, где происходит бродильный процесс, и разложение навоза на составляющие:

• метан (до 70%);
• углекислый газ (примерно 30%);
• другие газовые вещества (1-2%).

Газы поднимаются в верхнюю часть устройства, откуда их откачивают, а нижняя часть заполняется богатым органическим удобрением, сохранившим составляющие элементы навоза, такие как азот и фосфор, и значительно уменьшившим количество патогенных микроорганизмов.

Герметизм реактора является обязательным: иначе процесс переработки навоза замедляется.

Температурный режим также имеет важное значение для эффективного разложения навоза и образования биогаза. Бактерии активизируются при температурах от +30 градусов.

Что касается навоза, то он содержит два типа бактерий:

• мезофильные. Они работают при температуре +30 – +40 градусах;
• термофильные. Для их роста необходима температура +50 (+60) градусов.

Время переработки сырья в установках первого типа варьируется от 12 до 30 суток, в то время как один литр полезной площади реактора дает 2 литра биотоплива. Используя второй тип установок, время сокращается до трех дней, и биогаза получается до 4,5 литров.

Высокая продуктивность термофильных установок заметна, однако и стоимость их обслуживания значительна, поэтому перед выбором системы получения биогаза важно провести тщательные расчеты.

Несмотря на высокую эффективность термофильных систем, они не так распространены, поскольку поддержание температуры связано с большими затратами.

Установка мезофильного типа является более экономичной в обслуживании, что делает ее более привлекательной для большинства фермеров.

Биогаз по своему энергетическому потенциалу практически не уступает традиционным газовым видам топлива. Тем не менее, в его составе присутствуют сернистые соединения, которые необходимо учитывать при выборе материалов для установки.

Оценка эффективности биогаза

Чтобы наглядно увидеть все преимущества применения альтернативного биотоплива, можно провести простые расчеты. Например, корова весом 500 кг производит до 35-40 кг навоза в день, из которого можно получить около 1,5 м³ биогаза, достаточного для производства 3 кВт/ч электроэнергии.

С учетом данной информации нетрудно рассчитать объем биогаза, который можно извлечь в зависимости от поголовья скота на ферме.

Для производства биотоплива можно использовать как однородное сырье, так и смеси с влажностью 85-90%, без посторонних химических добавок, негативно влияющих на переработку.

Один из самых простых рецептов смеси был предложен в 2000 году жителем Липецкой области, который построил простенькую установку для получения биогаза. Он комбинировал 1500 кг коровьего навоза с 3500 кг растительных отходов, добавлял воду (примерно 65% от веса всех ингредиентов) и разогревал смесь до 35 градусов.

Через две недели он получал бесплатное топливо: его установка производила 40 м³ газа в день, что хватало для отопления дома и хозяйственных построек на полгода.

Варианты установок для получения биогаза

После выполнения расчетов следует решить, как построить установку для получения биогаза, соответствующую потребностям вашего хозяйства. Если поголовье небольшое, можно обойтись простой установкой, которую легко создать своими руками из доступных материалов.

Для крупных фермерств, имеющих стабильный источник большого объема сырья, лучше всего будет построить крупную автоматическую систему для их получения. В таком случае невозможно обойтись без привлечения специалистов, которые разработают проект и осуществят монтаж на профессиональном уровне.

На схеме видно, как функционирует промышленный автоматизированный комплекс по производству биогаза. Строительство таких масштабных установок может быть организовано для нескольких фермерских хозяйств, расположенных близко друг к другу.

В современном мире существует множество компаний, предлагающих разнообразные решения: от готовых до индивидуально разработанных проектов. Для снижения затрат в процессе строительства рекомендуется объединить усилия с соседними фермами (если они доступны) для создания общей установки по производству биогаза.

Важно помнить, что для реализации даже небольшой установки потребуется собрать необходимые документы, подготовить технологическую схему и план размещения оборудования и вентиляции (в случае установки в закрытом помещении), а также пройти согласования с санитарно-эпидемиологической службой, пожарной и газовой инспекцией.

Мини-завод для газового производства, способный удовлетворить потребности небольшого частного хозяйства, можно построить своими руками, используя конструктивные решения и особенности установок, которые изготавливаются в промышленных масштабах.

Устройства для переработки навоза и растительных остатков в биогаз отличаются простотой конструкции. Промышленные образцы могут служить отличной основой для создания собственного мини-завода.

Тем, кто решил самостоятельно заняться строительством установки, потребуется подготовить емкость для воды, пластиковые трубы для водопровода или канализации, угловые отводы, герметики и баллон для хранения полученного газа.

Галерея изображений

Ключевым элементом проектируемой установки является пластиковый бак с плотно прилегающей крышкой. На изображении представлена емкость объемом 700 л, которую необходимо подготовить к использованию: отметить и вырезать отверстия для подключения труб.

Для ввода в емкость потребуются ПВХ трубы, переходник в виде воронки, пластиковые уголки, шланг для подачи воды в бак, клей, фитинги для герметичного соединения и клапан для перекрытия.

Удобнее всего обозначить контуры отверстий, используя трубу, которая будет установлена в них. Вырезать отверстия следует очень аккуратно.

После вырезания, аккуратно вставьте трубы в отверстия, избегая повреждений от заусенцев, образовавшихся при резке. Места соединений обрабатываются клеем и герметиком.

Труба для загрузки сырья должна быть установлена таким образом, чтобы между дном емкости и её нижним краем оставалось расстояние от 2 до 5 см.

Воронка для загрузки сырья используется потому, что проектируемая установка предназначена для переработки остатков пищи. Для навоза потребуются более крупные воронки и трубы.

Монтаж отверстия и установка горизонтальной выпускной трубы осуществляется аналогичным образом. Вводимый в бак край трубы должен быть оснащен уголком.

В крышке нужно вырезать отверстие, в которое будет установлен шланг для подачи воды, необходимой для процесса переработки.

Этапы создания мини-завода для выработки биогаза

1. Проектирование установки для получения биогаза.
2. Выбор соединительных элементов для переносной системы.
3. Разметка и вырезание отверстий для подключения труб.
4. Установка ПВХ трубы через вырезанное отверстие в баке.
5. Правила размещения трубы для загрузки сырья.
6. Монтаж адаптера в качестве воронки для загрузки.
7. Установка и крепление выпускной трубы системы.
8. Закрепление шланга для подачи воды в крышке.

Основные характеристики биогазовой установки

Полноценная биогазовая система представляет собой комплексный механизм, включающий следующие компоненты:

1. Биореактор, в котором происходит разложение навоза;
2. Автоматизированную подачу органических отходов;
3. Устройство для перемешивания биомассы;
4. Оборудование для обеспечения оптимальной температуры;
5. Газгольдер – для хранения газа;
6. Резервуар для отработанных твердых отходов.

Все перечисленные элементы встречаются в промышленных установках, работающих в автоматическом режиме. В домашних условиях реакторы обычно проще конструкцией.

На схеме представлены основные составляющие автоматизированной биогазовой системы. Объем реактора зависит от количества поступающего органического сырья. Для эффективной работы установка должна заполняться на две трети объема.

Принцип функционирования установки

Основной элемент системы – биореактор. Существует несколько его конструктивных форм, но важно обеспечить герметичность и защиту от проникновения кислорода. Реактор может быть выполнен в виде металлической емкости различного типа (чаще всего цилиндрической), находящейся на поверхности. Нередко для создания таких систем используют пустые топливные цистерны объемом 50 кубов.

Можно также приобрести готовые разборные емкости. Их плюс — это возможность быстрой разборки и, при необходимости, транспортировки в другое место. Промышленные внешние установки разумнее всего применять на крупных фермах, где есть постоянный приток органических понадоб.

Для небольших подворий лучше подходит вариант с подземным размещением резервуара. Земляной бункер строится из кирпича или бетона. Готовые емкости, такие как металлические или пластиковые бочки, можно закопать в землю. Также возможен их наружный монтаж на улице или в специально отведенных помещениях с хорошей вентиляцией.

Для изготовления биогазовых установок можно использовать готовые ПВХ конструкции и установить их в помещениях с вентиляцией.

Независимо от способа размещения реактора, он должен быть оборудован бункером для загрузки навоза. Перед тем как загружать сырье, его следует предварительно приготовить: измельчить до фракции не более 0,7 мм и разбавить водой. Оптимальная влажность субстрата приблизительно 90%.

В автоматизированных установках промышленного типа есть система подачи сырья, включающая приемник, где смесь увлажняется до необходимого уровня, трубопровод для воды и насос для перекачивания массы в биореактор.

В домашних установках для подготовки материала используются отдельные емкости, где отходы измельчаются и перемешиваются с водой, после чего загружаются в приемный отсек. Для реакторов, находящихся под землей, бункер для приема вещества выводится наружу, подготавливаемая смесь затем поступает в камеру брожения самотеком по трубопроводу.

Если реактор размещён на земле или в помещении, входная труба с приемником может находиться в нижней боковой части емкости. Также возможно вывод трубы в верхнюю часть, с установкой на неё раструба. В этом случае биомассу необходимо подавать с помощью насоса.

В биореакторе важно предусмотреть выходное отверстие, которое следует делать практически на дне емкости с противоположной стороны от входного бункера. При подземном размещении выходная труба устанавливается наклонно вверх и ведет в приемник для отходов, который должен напоминать прямоугольный ящик. Его верхняя кромка должна находиться ниже уровня входного отверстия.

Трубы для входа и выхода располагаются наклонно вверх с разных сторон емкости, при этом компенсирующая емкость, куда поступают отходы, должна располагаться ниже бункера.

Процесс протекает так: входной бункер принимает новую порцию субстрата, которая попадает в реактор, а одновременно равное количество отработанного вещества по трубе переходит в приемник для отходов, откуда оно затем вычерпывается и используется в качестве качественного биоудобрения.

Хранение биогаза происходит в газгольдере. Чаще всего он расположен прямо на крыше реактора и имеет форму купола или конуса. Обычно такой газгольдер изготавливается из кровельного железа, а затем покрывается несколькими слоями масла для защиты от коррозии.

Промышленные установки, рассчитанные на обильное производство газа, часто имеют газгольдер как отдельное конструктивное решение, соединенное с реактором при помощи трубопровода.

Получаемый в результате брожения газ не подходит для использования, так как в нем содержатся значительные объемы водяного пара, что делает его непригодным для горения. Для очистки газа от водяных фракций он проходит через гидрозатвор. Это осуществляется за счет трубопровода, который выведен из газгольдера и ведет в емкость с водой, а затем оттуда биогаз подается потребителям через пластиковую или металлическую трубку.

Схема установки, расположенной под землей. Входные и выходные отверстия должны располагаться на противоположных сторонах емкости. Над реактором находится водяной затвор, через который газ проходит для осушения.

Также в некоторых случаях для хранения газа можно использовать специальные мешки-газгольдеры, сделанные из поливинилхлорида. Эти мешки располагаются рядом с установкой и постепенно заполняются газом. С увеличением объема газа, эластичный материал мешка раздувается, что позволяет временно хранить большее количество конечного продукта.

Условия для эффективного функционирования биореактора

Для достижения максимальной отдачи от работы установки и активного выделения биогаза требуется равномерное брожение органического субстрата. Смесь должна постоянно находиться в движении; в противном случае она может образовать корку, что замедлит процесс разложения и приведет к снижению конечного объема газа.

Чтобы обеспечить активное перемешивание биомассы, в верхней или боковой части типичного реактора устанавливаются погружные или наклонные мешалки, оснащенные электроприводом. В кустарных установках перемешивание осуществляется вручную или с использованием аппарата, похожего на бытовой миксер. В таком случае управление может быть как ручным, так и с помощью электродвигателя.

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

Одним из ключевых факторов, влияющих на получение биогаза, является поддержание оптимальной температуры в реакторе. Существуют различные методы обогрева. В стационарных установках применяются автоматизированные системы, которые запускаются при снижении температуры ниже установленной отметки и отключаются, когда температура достигает необходимых значений.

Для обогрева можно задействовать газовые котлы, использовать электрические обогреватели для прямого нагрева или установить нагревательный элемент непосредственно в основание емкости.

С целью минимизации теплопотерь рекомендуется окружить реактор каркасом, который утепляется стекловатой, или использовать теплоизоляцию. Прекрасные теплоизоляционные свойства продемонстрирует пенополистирол и его различные вариации.

Для организации системы обогрева биомассы можно подвести трубопровод от домашнего отопления, которое работает с использованием энергии реактора.

Расчет необходимого объема

Объем реактора рассчитывается на основе суточного производства навоза в хозяйстве. Важно учитывать вид сырья, температурный режим и продолжительность брожения. Для эффективной работы установки емкость следует заполнять на 85-90%, оставляя минимум 10% для выхода газа.

Разложение органики в мезофильной установке при температуре около 35 градусов длится примерно 12 дней. По его завершении ферментированные остатки удаляются, и реактор вновь заполняется свежей порцией субстрата. Поскольку отходы перед загрузкой разбавляются водой до 90%, следует учесть и объем жидкости при определении суточной нагрузки.

Итак, объем реактора будет равен суточному количеству подготовленного субстрата (навоз с водой) умноженному на 12 (время, необходимое для разложения) и увеличенному на 10% для свободного пространства в емкости.

Строительство подземного сооружения

Теперь обсудим простейшую установку для получения биогаза в домашних условиях с минимальными затратами. Рассмотрим процесс строительства подземной системы. Для этого потребуется выкопать яму, основание и стены которой заливаются армированным керамзитобетоном.

С противоположных сторон камеры устанавливаются входное и выходное отверстия, снабженные наклонными трубами для подачи субстрата и откачки отработанной массы.

Выходная труба диаметром примерно 7 см размещается практически у самого дна бункера, а другой ее конец соединяется с компенсирующей емкостью прямоугольной формы, предназначенной для сброса отходов. Трубопровод подачи субстрата располагается на высоте около 50 см от дна и имеет диаметр 25-35 см. Его верхняя часть вводится в отсек для приема сырья.

Реактор должен быть герметично закрыт. Для предотвращения попадания воздуха емкость необходимо обработать битумной гидроизоляцией.

Верхняя часть бункера представляет собой газгольдер с куполообразной или конусной формой, который может быть изготовлен из металлических листов или кровельного железа. Также конструкцию можно завершить кирпичной кладкой, покрытой стальной сеткой и штукатуркой. На верхней части газгольдера необходимо установить герметичный люк, а также вывести газопровод с гидрозатвором и установить клапан для сброса давления газа.

Для перемешивания субстрата можно оснастить установку дренажной системой, функционирующей по принципу барботажа. Для этого внутри конструкции вертикально устанавливаются пластиковые трубы с отверстиями в верхней части, в которых будет подниматься газ под давлением, перемешивая биомассу в емкости.

Если вы не хотите самостоятельно строить бетонный бункер, можно приобрести готовую ПВХ-емкость. Для сохранения тепла желательно обложить ее слоем утеплителя из пенополистирола. Дно ямы заливается армированным бетоном толщиной 10 см. Резервуары из поливинилхлорида можно использовать, если объем реактора не превышает 3 м³.

Выводы и видео по теме

Чтобы узнать, как создать самую простую установку из обычной бочки, посмотрите следующее видео:

Строительство подземного реактора можно увидеть в данном видеосюжете:

Процесс загрузки навоза в подземную установку представлен в следующем ролике:

Создание установки для получения биогаза из навоза поможет значительно снизить расходы на отопление и электроэнергию, а также эффективно использовать органический материал, который имеется в изобилии в каждом фермерском хозяйстве. Перед началом строительства важно тщательно все спланировать и подготовить.

Простая установка может быть собрана за несколько дней своими руками, используя подручные материалы. В случаях с крупными хозяйствами лучше приобрести готовую систему или обратиться за помощью к специалистам.

Если у вас возникли вопросы или есть предложения для обсуждения с другими посетителями сайта, не стесняйтесь оставлять комментарии в разделе ниже.