Фермеры каждый год сталкиваются с задачей переработки навоза. Значительные средства уходят на его вывоз и уничтожение. Однако существует метод, который позволяет не только сократить затраты, но и использовать этот природный ресурс с пользой.
Умные аграрии уже длительное время применяют экологические технологии, чтобы извлечь биогаз из навоза и использовать его в качестве источника топлива.
В этом материале мы рассмотрим процесс производства биогаза и расскажем, как построить установку для биоэнергетики.
Краткое содержание статьи
Плюсы использования биотехнологий
Исследования получения биотоплива из различных природных ресурсов начались еще в конце 18 века и активно развивались в 19 веке. Первая установка для биоэнергетики в Советском Союзе была запущена в 1940-е годы.
Хотя биотехнологии активно используются в разных странах, в нынешний момент они приобретают особую актуальность. В условиях ухудшения окружающей среды и роста цен на энергоресурсы все больше людей обращают внимание на альтернативные источники тепла и энергии.
Технология переработки навоза в биогаз помогает сократить выбросы метана в атмосферу и создать дополнительный источник тепловой энергии.
Несомненно, навоз представляет собой ценное удобрение, и в небольших фермерских хозяйствах с парой коров это не вызывает проблем. Однако в крупных и средних фермерствах образуются тонны неприятно пахнущего и гниющего биологического материала ежегодно.
Для превращения навоза в высококачественное удобрение требуются определённые площади с соответствующим температурным режимом, что приводит к дополнительным расходам. Из-за этого многие фермеры хранят его где попало, а затем вывозят на поля.
Размеры установки и степень автоматизации нужно подбирать в зависимости от объема сырья, которое поступает ежедневно.
При неправильном хранении из навоза может испаряться до 40% азота и большая часть фосфора, что существенно снижает его качество. Кроме того, в атмосферу выделяется метан, что негативно сказывается на экологии.
Современные биотехнологии позволяют не только уменьшать негативное воздействие метана на окружающую среду, но и извлекать из него экономическую выгоду. В результате переработки навоза выходит биогаз, который можно конвертировать в тысячи ватт энергии, а остатки процесса становятся ценным анаэробным удобрением.
Галерея изображений
Организация системы для получения биогаза является экономически целесообразной для фермерских хозяйств. Если сырья хватает только от двух коров, его лучше использовать как удобрение.
Газ, полученный из навоза, обеспечит теплом и электроэнергией. После очистки его можно использовать для плит и котлов или как топливо для электрогенераторов.
Простую перерабатывающую установку можно легко построить своими руками. Главной ее частью является биореактор, который следует качественно изолировать от влаги и тепла.
Для ускорения процесса можно использовать пластиковую заводскую емкость, но принципы сооружения и изоляции останутся прежними.
Механизм образования газа из органического сырья
Биогаз – это бесцветное и безвкусное вещество, содержащее до 70% метана. Его характеристики близки к природному газу, а 1 м³ биогаза выделяет столько же тепла, сколько горение 1,5 кг угля.
Анаэробные бактерии отвечают за образование биогаза, разлагая органические материалы, такие как навоз животных, птичий помет и растительные остатки.
Для получения биогаза можно использовать как птичий помет, так и отходы от мелкого и крупного скота. Сырье бывает как в чистом виде, так и в смешанном с травами или другими растительными остатками.
Чтобы активировать процесс ферментации, необходимо создать комфортные условия для бактерий, которые должны соответствовать тем, в которых они живут естественно, например, в желудках животных, где тепло и нет кислорода.
Эти два условия обеспечивают эффективное превращение разлагающегося навоза в экологически чистое топливо и полезные удобрения.
Для получения биогаза нужен герметичный реактор без доступа воздуха, где будет проходить процесс брожения навоза и его расщепление на составляющие:
- метан (до 70%);
- углекислый газ (около 30%);
- другие газовые составы (1-2%).
Газы поднимаются вверх в емкости, откуда затем их выкачивают, а на дне остается остаток – высококачественное органическое удобрение с сохранением всех полезных веществ навоза – азота и фосфора, и с минимальным количеством патогенных микроорганизмов.
Реактор для производства биогаза должен быть полностью герметичным и лишенным кислорода, иначе процесс разложения пройдет слишком медленно.
Второе важное условие для качественного разложения и образования биогаза – поддержание необходимой температуры. Бактерии активизируются при температуре от +30 градусов.
В навозе присутствуют два типа бактерий:
- мезофильные. Их активность наблюдается при температуре +30 – +40 градусов;
- термофильные. Для их размножения необходима температура +50 (+60) градусов.
Время переработки навоза на установках первого типа зависит от состава смеси и может колебаться от 12 до 30 суток, при этом 1 литр полезной площади реактора дает 2 литра биотоплива. В термофильных установках это время сокращается до трех дней, а выход биогаза увеличивается до 4,5 литров.
Несмотря на высокую эффективность термофильных установок, они редко используются из-за больших затрат на их обслуживание, поэтому необходимо тщательно анализировать выбор метода получения биогаза.
Хотя производительность термофильных установок значительно выше, термофильные технологии применяются реже, так как поддержание высоких температур требует больших затрат.
Установки мезофильного типа более экономичны в обслуживании, и именно поэтому большинство ферм предпочитает применять их для производства биогаза.
По энергетическому потенциалу биогаз лишь немного уступает обычному газовому топливу. Однако в нем присутствуют серные пары, что нужно учитывать при выборе материалов для установки.
Расчеты эффективности применения биогаза
Чтобы оценить преимущества альтернативного биотоплива, достаточно провести простые расчеты. Одна корова весом 500 кг ежедневно производит примерно 35-40 кг навоза. Это количество позволяет получить около 1,5 м³ биогаза, что в свою очередь может быть преобразовано в 3 кВт/ч электроэнергии.
Сравнив данные из таблиц, легко рассчитать, сколько м³ биогаза будет получено в зависимости от числа животных в хозяйстве.
Для получения биотоплива можно использовать один конкретный вид сырья или смеси из нескольких компонентов с влажностью 85-90%. Важно избегать наличия химических примесей, которые могут негативно сказаться на процессе переработки.
Простой рецепт смеси был предложен русским фермером из Липецкой области еще в 2000 году. Он смешивал 1500 кг коровьего навоза с 3500 кг растительных отходов, добавлял воду (примерно 65% от общего веса смеси) и подогревал до 35 градусов.
Через две недели получалось бесплатное топливо. Эта небольшая установка синтезировала 40 м³ газа в сутки, что вполне обеспечивало отопление дома и хозяйственных построек на полгода.
Варианты установок для получения биотоплива
После проведения расчетов наступает время определиться с конструкцией установки для получения биогаза, соответствующей потребностям. Если поголовье скота невелико, подойдет простая установка, которую можно легко построить из подручных материалов.
Для крупных фермерских хозяйств, которые обладают постоянным источником значительного количества сырья, целесообразнее создать автоматизированную промышленную установку для получения биогаза. В таких случаях нередко требуется привлечение специалистов для проектирования и установки системы на профессиональном уровне.
На схеме показано, как функционирует промышленная автоматизированная установка для получения биогаза. Организацию таких систем можно планировать совместно для нескольких соседних хозяйств.
Сейчас существует множество компаний, предлагающих различные решения – от готовых проектов до индивидуальной разработки. Чтобы снизить затраты на строительство, можно объединиться с соседними фермами и построить единую установку для получения биогаза.
Важно помнить, что для создания даже самой малой установки требуется оформить необходимые разрешения, разработать технологическую схему, составить план размещения оборудования и системы вентиляции (если оно находится в закрытом помещении), а также пройти проверки СЭС и инспекций по пожарной и газовой безопасности.
Можно самостоятельно сконструировать мини-завод для производства газа, который будет покрывать потребности небольшого частного хозяйства, опираясь на принципы и дизайн промышленных установок.
Устройства для переработки навоза и растительного остатков в биогаз не имеют особой сложности. Коммерчески доступные образцы вполне могут послужить основой для постройки собственного мини-завода.
Тем, кто планирует самостоятельно создать такую установку, понадобятся: бак для воды, пластиковые трубы для водоснабжения или канализации, угловые соединения, герметики и резервуар для хранения получаемого газа.
Галерея изображений
Ключевым элементом создаваемой установки является пластиковый резервуар с плотно закрытой крышкой. На изображении представлена емкость объемом 700 литров, которую необходимо подготовить для дальнейшей работы: разметить и вырезать отверстия для труб.
Необходимы ПВХ трубы для подключения к баку, а также переходник в виде воронки, пластиковые уголки, шланг для подачи воды, клей, штуцер для закрепления в крышке и клапан для перекрытия.
Форму отверстий удобнее всего делать, используя трубу, которую собираются вставлять в бак. Вырезать отверстие необходимо с предельной аккуратностью.
Трубы аккуратно вставляются в подготовленные отверстия. Они не должны иметь повреждений от заусенцев, возникших при резке. Место соединения обрабатывается клеем и герметиком.
Труба для загрузки сырья должна устанавливаться так, чтобы между дном резервуара и ее нижней частью оставалось зазор в 2-5 см.
Переходник в виде воронки используется для загрузки сырья, так как данный агрегат будет перерабатывать остатки пищи. Для навоза необходимы более крупные воронки и трубы.
По тому же принципу формируется отверстие для установки горизонтальной выпускной трубы. Край трубы, введенный в бак, должен быть оснащен уголком.
В крышке вырезается отверстие для шланга, который будет подавать воду, необходимую для переработки.
Особенности биогазовой системы
Полная биогазовая установка представляет собой сложную систему, включающую:
- Биореактор для разложения навоза;
- Автоматическую систему подачи органических отходов;
- Устройство для перемешивания биомассы;
- Оборудование для поддержания оптимальной температуры;
- Газгольдер для хранения газа;
- Приемник остаточных твердых отходов.
Все перечисленные компоненты присутствуют в промышленных установках, работающих в автоматическом режиме. Обычно бытовые реакторы имеют более простую конструкцию.
На схеме продемонстрированы основные части автоматизированной биогазовой системы. Объем реактора определяется суточным поступлением органического сырья. Для нормального функционирования установки реактор должен быть заполнен примерно на две трети.
Принцип работы установки
Ключевым элементом системы является биореактор. Существует множество конструкций, но основное требование — это герметичность и отсутствие доступа кислорода. Чаще всего он представляется в виде металлической емкости различной формы (наиболее распространенная — цилиндрическая), расположенной на поверхности. Для таких целей нередко используют 50-кубовые пустые топливные цистерны.
Можно также приобрести готовые сборные емкости, которые проще разобрать и, при необходимости, перенести в другое место. Промышленные наземные установки лучше всего подходят для крупных хозяйств с постоянным спросом на органическое сырье.
Для небольших подворий более практичной будет установка подземного резервуара. Подземные бункеры могут быть построены из кирпича или бетона, а также вкапываются готовые емкости, например, металлические бочки, из нержавеющей стали или ПВХ. Также можно разместить их на поверхности в специально оборудованных местах с хорошей вентиляцией.
Для создания биогазовой установки можно использовать готовые пластиковые емкости и установить их в помещениях с вентиляцией.
Независимо от места и метода установки реактора, он будет оборудован бункером для загрузки навоза. Перед загрузкой сырье должно пройти предварительную обработку: его измельчают до фракций не более 0,7 мм и разбавляют водой. Оптимально, чтобы влажность смеси составляла около 90%.
Промышленные установки часто имеют автоматизированную систему для подачи сырья, которая включает приемник, где смесь доводится до нужной влажности, трубопровод для подачи воды и насос для перекачки массы в биореактор.
В домашних установках для подготовки субстрата могут использоваться отдельные емкости, где отходы измельчаются и перемешиваются с водой, а затем помещаются в приемный отсек. В подземных реакторах бункер для приема субстрата выводится наружу, и подготовленная смесь поступает в камеру для брожения с помощью силы тяжести.
Если реактор расположен на земле или в закрытом помещении, входная труба с приемным устройством может находиться в нижней боковой части емкости. Также возможно разместить трубу в верхней части, надев раструб на горловину. В этом случае подача биомассы осуществляется с помощью насоса.
В биореакторе целесообразно предусмотреть выходное отверстие, которое располагается почти на дне, на противоположной стороне от входного бункера. При подземном размещении выходная труба устанавливается под углом вверх и ведет в приемник для отходов, который по форме напоминает прямоугольную коробку, его верхний край должен находиться ниже уровня входного отверстия.
Входные и выходные трубы следует устанавливать под углом вверх с разных сторон емкости, при этом приемник отходов должен находиться ниже уровня входного бункера.
Процесс происходит таким образом: приемный бункер заполняется новой партией сырья, которая стекает в реактор, одновременно с этим такое же количество переработанной массы по трубе поднимается в приемник для отходов, откуда оно в дальнейшем вычерпывается и используется в качестве высококачественного биоудобрения.
Хранение биогаза обычно осуществляется в газгольдере, который чаще всего располагается прямо на крыше реактора, имея форму купола или конуса. Он изготавливается из кровельного железа и несколько раз окрашивается масляной краской для предотвращения коррозии.
В промышленных установках, ориентированных на получение больших объемов газа, газгольдер может представлять собой отдельный резервуар, связанный с реактором трубопроводом.
Полученный в результате брожения газ не пригоден к использованию в первоначальном виде, так как содержит значительное количество водяных паров и не горит. Для его очистки от влаги газ пропускается через гидрозатвор. Для этого из газгольдера выводится труба, по которой биогаз поступает в емкость с водой, откуда он затем направляется к потребителям по трубам из пластика или металла.
Схема подземной установки подразумевает, что входные и выходные отверстия должны размещаться на противоположных сторонах емкости. Над реактором располагается водяной затвор, через который поступает очищенный газ.
Иногда для хранения газа используются специальные мешки-газгольдеры из поливинилхлорида, которые постепенно заполняются газом. Эти мешки располагаются рядом с установкой и могут увеличиваться в объеме по мере заполнения, позволяя временно сохранять большее количество конечного продукта.
Условия для эффективной работы биореактора
Для того чтобы установка функционировала эффективно и интенсивно выделяла биогаз, необходимо обеспечить равномерное брожение органического субстрата. Смесь должна постоянно находиться в движении, иначе на ней образуется корка, что замедляет процесс разложения и приводит к меньшему выходу газа, чем планировалось.
Для активного перемешивания биомассы в верхней или боковой части реактора устанавливаются погружные или наклонные мешалки с электроприводом. В кустарных установках перемешивание выполняют вручную с помощью устройства, напоминающего бытовой миксер, которое также можно оснастить электроприводом.
При вертикальном расположении реактора ручка мешалки выводится наверх. Если емкость горизонтальная, шнек располагается также в горизонтальной плоскости, а ручка находится сбоку от реактора.
Одним из важных условий для получения биогаза является поддержание оптимальной температуры внутри реактора. Обогрев может осуществляться различными способами. В стационарных установках применяют автоматические системы подогрева, которые активируются при снижении температуры ниже установленного уровня и выключаются, когда нужная температура достигнута.
Для обогрева существует несколько вариантов: можно применять газовые котлы, использовать электрические устройства для прямого обогрева или интегрировать в дно емкости специальный нагревательный элемент.
С целью снижения теплопотерь рекомендуется создать вокруг реактора небольшой каркас, заполненный стекловатой, или обеспечить установку теплоизоляцией. Эффективные теплоизоляционные свойства имеют пенополистирол и его производные.
Для организации системы отопления биомассы возможно подключение трубопровода от отопления жилого помещения, которое работает на основе реактора.
Определение необходимого объема
Объем реактора рассчитывается в зависимости от объема навоза, который ежедневно вырабатывается в хозяйстве. Также важно учитывать тип используемого сырья, а также температурный режим и время брожения. Для корректной работы установка должна быть заполнена на 85-90%, оставляя минимум 10% свободного пространства для выделяемого газа.
Разложение органических веществ в мезофильной установке при температуре около 35 градусов занимает примерно 12 дней. После этого ферментированные остатки удаляются, и емкость заполняется новым субстратом. Поскольку перед отправкой в реактор отходы необходимо разбавить водой до 90%, это увеличение объема также следует учитывать при расчете суточной загрузки.
Таким образом, объем реактора равен суточному объему подготовленного субстрата (навоза, разведенного водой), умноженному на 12 (необходимое время на разложение биомассы), с добавлением 10% для свободного пространства.
Строительство подземного сооружения
Рассмотрим простейшую установку, предназначенную для получения биогаза в домашних условиях с минимальными затратами. Начнем с описания процесса создания подземной системы. Для этого потребуется выкопать яму, основание и стенки которой обрабатываются армированным керамзитобетоном.
С обеих сторон камеры устанавливаются входные и выходные отверстия, где прокладываются наклонные трубы для подачи субстрата и откачки отработанных продуктов.
Труба для сброса отходов, диаметром около 7 см, должна располагаться ближе к дну бункера, а ее второй конец подключается к компенсирующей емкости прямоугольной формы, куда будут сбрасываться отходы. Трубопровод, подающий субстрат, размещается примерно на 50 см от дна и имеет диаметр 25-35 см. Верхняя часть этой трубы ведет в отсек, предназначенный для приема сырья.
Реактор обязан быть полностью закрытым. Для предотвращения доступа воздуха рекомендуется покрыть емкость слоем битумной гидроизоляции.
Верхняя часть бункера представляет собой газгольдер, который может иметь купольную или конусообразную форму. Его можно сделать из металлических листов или кровельного железа. Также конструкцию можно завершить кладкой из кирпича, обложив его стальной сеткой с последующей штукатуркой. На крышке газгольдера должен располагаться герметичный люк, а также выходить газовая труба, проходящая через гидрозатвор и оснащенная клапаном для сброса избыточного давления.
Для перемешивания субстрата можно установить дренажную систему с функцией барботажа. Для этого следует вертикально расположить пластиковые трубы вдоль конструкции, так чтобы их верхние части находились выше уровня субстрата. В трубах нужно проделать множество отверстий. Газ под давлением будет опускаться вниз, а поднимаясь, пузырьки газа станут перемешивать биомассу в емкости.
Если строительство бетонного бункера вас не привлекает, возможно приобрести готовый резервуар из ПВХ. Чтобы сохранить тепло, его следует обложить слоем теплоизоляции, например, пенополистиролом. Дно ямы заливают армированным бетоном слоем толщиной 10 см. Резервуары из поливинилхлорида могут использоваться, если объем реактора не превышает 3 м³.
Выводы и полезное видео по теме
Если вы хотите узнать, как изготовить простую установку из обычной бочки, посмотрите видео:
В видеосюжете освещено, как строится подземный реактор:
В следующем ролике показано, как осуществляется загрузка навоза в подземную установку:
Создание установки для получения биогаза из навоза позволяет значительно снизить расходы на отопление и электроэнергию, а также эффективно использовать органический материал, который имеется в избытке на каждом фермерском хозяйстве. Перед началом строительства важно произвести все необходимые расчеты и подготовительные мероприятия.
Простую реакторную установку можно изготовить в течение нескольких дней самостоятельно, используя подручные средства. Однако для крупных хозяйств оптимальным вариантом станет приобретение готовой системы или обращение к специалистам.
Если у вас возникли вопросы или предложения, которые вы хотели бы обсудить с другими посетителями сайта, пожалуйста, оставляйте свои комментарии в блоке ниже.
