Факторы, влияющие на производство биогаза
Объем продуцируемого дружной командой микробов биогаза при различных условиях может меняться и зависит от ряда факторов.
Вид сырья
Больше всего биогаза можно получить из отходов пищевой промышленности, содержащих сахарный жом и большое количество жиров. Наименее выгодным видом сырья является навоз крупного рогатого скота.
Навоз — сырье для биогаза
Температура
С ростом температуры производительность бактерий увеличивается. По температурному режиму газогенераторы делятся на три типа.
Психрофильные
Это установки без подогрева, в которых температура поддерживается в пределах от 18 до 25 градусов. В настоящий момент почти не применяются.
Мезофильные
Благодаря подогреву температурный режим выдерживается в пределах от 25 до 40 градусов.
Достоинства:
- низкие энергозатраты;
- аминокислотный состав удобрений является максимально полезным.
Недостатки:
- относительно низкая производительность по биогазу;
- отсутствие обеззараживающего эффекта (в сырье содержатся болезнетворные бактерии, от которых следовало бы избавиться).
Газогенераторы, применяемые раньше для автомобилей, вполне подходят и для домашнего использования. Как сделать газовый генератор своими руками по шагам, читайте в статье.
О плюсах использования электрогенератора на дровах читайте тут.
Если вы живете в частном доме, то у вас есть уникальный шанс испробовать различные варианты альтернативных источников энергии. Здесь https://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/alternativnoe-otoplenie/alternativnye-istochniki-energii-dlya-chastnogo-doma.html вы найдете обзор вариантов установок для получения бесплатной энергии.
Термофильный
Применяется интенсивный подогрев, температура превышает 40 градусов.
Достоинства:
- высокая производительность;
- гибнут болезнетворные бактерии.
Недостатки:
- высокие энергозатраты;
- низкое качество удобрений.
Термофильный биореактор на навозе
Для каждого вида сырья существует оптимальный температурный режим. Почему нельзя просто разогреть реактор до максимально возможной температуры? По двум причинам:
- из-за роста энергозатрат понизится рентабельность установки;
- с ростом температуры увеличивается и количество свободного аммиака.
Последняя зависимость приводит к торможению газогенерации (этот газ является токсичным для бактерий).
Обмен веществ и свобода перемещения
Сырье должно быть достаточно разжиженным, чтобы микробы и пузырьки газа могли в нем двигаться. Для этого в установку доливают горячую воду, доводя влажность загрузки до 85% зимой и до 92% летом.
Чтобы в реакторе лучше происходили обменные процессы, его содержимое нужно время от времени (примерно каждые 4 – 6 часов) перемешивать.
Время брожения
Если сырье выгружать раньше положенного срока, бактерии не будут успевать компенсировать потери в численности и производительность их колоний упадет.
При чрезмерно длительной выдержке производительность также снижается из-за недостатка питательных веществ.
В среднем оптимальное время брожения составляет:
- для психрофильного режима: 30 – 40 суток или более;
- для мезофильного: 10 – 20 суток;
- для термофильного: 5 – 10 суток.
Оптимальное значение опять же зависит от сырья. Углерода должно быть раз в 10 – 20 больше, чем азота.
Дополнительное оборудование
Сам бродильный резервуар без вспомогательных устройств не способен обеспечить поддержание необходимой температуры или подачу газа до места его применения. Поэтому к биореактору обязательно присоединяют следующее оборудование:
- Газгольдер. Представляет собой газовый накопитель, выравнивающий давление биогаза.
- Газовые трубы. Поставляют выработанную газовую смесь к газгольдеру и далее.
- Система подогрева биомассы. Теплообменные трубы (змеевики) могут быть расположены внутри реактора, а могут и опутывать его снаружи. Также реактор нередко сам размещается внутри более объемного резервуара, заполненного подогреваемой водой (водяная баня).
- Стартовый разогрев реактора может осуществляться газом (котел), электричеством (бойлер) либо другими способами (печка, самонагрев на солнце). После начала выделения тепла и биогаза реактор переходит на самостоятельное поддержание температуры.
- Система перемешивания биомассы. Малоразмерные конструкции домашних биореакторов оснащают упрощенным винтом-мешалкой. Движение винта может осуществляться как с помощью энергии биогаза, так и вручную.
- Система контроля температуры. Представляет собой устройство из термометра и автоматического регулятора, который включает и выключает биогазовый подогрев.
- Клапан для сброса излишнего газа (свеча). Предотвращает разрыв труб от чрезмерного газового давления в системе. В целях недопущения распространения метанового запаха, свеча-клапан поджигает выбрасываемую струю газа.
Кроме базовых деталей, реактор может быть оснащен вспомогательными механизмами. Они облегчают обслуживание БЭС либо преобразуют вырабатываемый биогаз в другие виды энергий.
Монтируем установку
Схема биогазовой установки с ручной загрузкой
На первом этапе нужно определиться с количеством возможного сырья, какой объем отходов жизнедеятельности животных накапливается каждый день, сколько травы или жмыха можете позволить себе расходовать на нужды обогрева. Определите объем реакционной коробки, в которой планируете вырабатывать газ, и выберите место под установку. Это самый ответственный момент. Оборудование стоит установить в отдельном помещении во избежание аварийных ситуаций (все-таки имеем дело с опасным газом метаном) и с учетом неприятного запаха, выделяемого при работе. Завершающий этап: монтируем трубы для загрузки и выгрузки материала. Подготавливаем яму необходимого размера для оборудования.
Итак, резервуар для реактора помещен в подготовленную яму или у стены отдельного помещения, трубы подведены, приступаем к монтажу загрузочного отделения и системы газоотвода.
Устанавливаем крышку на входное отверстие, которая будет служить дверцей для загрузки сырья в топку. Проверяем герметичность. Помните, что кислород не должен поступать в систему. Производим теплоизоляцию. Биогазовая установка сделана своими руками и готова к работе. Поздравляем!
С ручной загрузкой без подогрева или с естественным/пневматическим подогревом – это самая функционально простая энергоустановка. Для ее изготовления понадобятся реактор, бак для загрузки сырья, прибор для отбора и использования полученного газа и устройство для выгрузки перебродившего материала. По указанной схеме сделать установку способен любой хозяин.
Более подробно посмотреть на процесс установки по выработке биологического газа вы можете на видео:
Какие установки применяют для получения биогаза
Если установку планируется разместить вблизи фермы, то лучшим вариантом будет разборная конструкция, которую легко перевезти в другое место. Основной элемент установки – биореактор, в который заливается сырье и происходит процесс брожения. На крупных предприятиях используют цистерны объемом 50 кубических метров.
В частных хозяйствах строят подземные резервуары в качестве биореактора. Их выкладывают из кирпича в подготовленную яму и обмазывают цементом. Бетон повышает степень безопасности конструкции и препятствует попаданию воздуха. Объем зависит от того, сколько сырья в день получают с домашних животных.
Поверхностные системы также популярны в домашних условиях. При желании установку можно разобрать и перенести в другое место, в отличие от стационарного подземного реактора. В качестве цистерны используют пластиковые, металлические или поливинилхлоридные бочки.
По типу управления имеются:
автоматические станции, в которых долив и откачка отработанного сырья осуществляется без участия человека;
механические, где весь процесс контролируется вручную.
С помощью насоса можно облегчить освобождение резервуара, в который попадают отходы после брожения. Некоторые народные умельцы применяют насосы для откачки газа из подушек (например, автомобильных камер) в очистное сооружение.
Схема самодельной установки для получения биогаза из навоза
Перед сооружением биогазовой установки на своем участке необходимо ознакомиться с потенциальной опасностью, которая может взорвать реактор. Главное условие – отсутствие кислорода.
Метан – это взрывоопасный газ и он способен воспламеняться, но для этого его необходимо нагреть выше 500 градусов. Если биогаз смешается с воздухом, возникнет избыточное давление, которое разорвет реактор. Бетонный может треснуть и будет не пригоден для дальнейшего использования.
Видео: Биогаз из птичьего помета
Чтобы давление не сорвало крышку, применяют противовес, защитную прокладку между крышкой и резервуаром. Емкость заполняют не до конца – должно оставаться как минимум 10% объема для выхода газа. Лучше – 20%.
Итак, чтобы сделать у себя на участке биореактор со всеми приспособлениями, необходимо:
Удачно выбрать место, чтобы оно находилось подальше от жилья (мало ли что).
Рассчитать предположительное количество навоза, которое ежедневно выдают животные. Как считать – читать ниже.
Определиться, где проложить загрузочную и отгрузочную трубу, а также трубу для конденсации влаги в полученном газе.
Определиться с местом расположения резервуара для отходов (по умолчанию удобрения).
Вырыть котлован, исходя из расчетов количества сырья.
Выбрать емкость, которая будет служить резервуаром для навоза и установить ее в котлован. Если планируется бетонный реактор, тогда дно котлована заливается бетоном, стенки выкладываются кирпичом и штукатурятся бетонным раствором. После этого необходимо дать время просохнуть.
Стыковки между реактором и трубами также герметизируются на этапе закладки резервуара.
Обустроить люк для осмотра реактора. Между ним ставится герметичная прокладка.
Если климат холодный, то перед бетонированием или установкой пластикового резервуара продумывают способы его обогрева. Это могут быть нагревательные приборы или лента, используемая в технологии «теплый пол».
В конце работ проверить реактор на герметичность.
Расчет количества газа
Из одной тонны навоза можно получить примерно 100 кубических метров газа. Вопрос – сколько помета дают домашние животные в сутки:
курица – 165 г в сутки;
корова – 35 кг;
коза – 1 кг;
конь – 15 кг;
овца – 1 кг;
свинья – 5 кг.
Умножить эти показатели на количество голов и получится суточная доза экскрементов, подлежащих переработке.
Больше газа получают от коров и свиней. Если добавить в смесь такие энергетически мощные растения как кукуруза, свекольная ботва, просо, то количество биогаза увеличится. Большой потенциал у болотных растений и водорослей.
Самый высокий – у отходов мясоперабатывающих комбинатов. Если такие хозяйства есть поблизости, то можно скооперироваться и установить один реактор на всех. Сроки окупаемости биореактора 1 – 2 года.
Специфика получения биогаза
Биогаз образуется в результате брожения биологического субстрата. Его разлагают гидролизные, кислото- и метанообразующие бактерии. Смесь вырабатываемых бактериями газов получается горючей, т.к. содержит большой процент метана.
По своим свойствам она практически не отличается от природного газа, который используется для промышленных и бытовых нужд.
Биогаз – экологически чистое топливо, а технология его получения не оказывает особого влияния на окружающую среду. Более того, в качестве сырья для биогаза используют отходы жизнедеятельности, которые нуждаются в утилизации.
Их помещают в биореактор, где происходит переработка:
- в течение некоторого времени биомасса подвергается воздействию бактерий. Срок брожения зависит от объема сырья;
- в результате деятельности анаэробных бактерий выделяется горючая смесь газов, в состав которой входят метан (60%), углекислый газ (35%) и некоторые другие газы (5%). Также при брожении в небольших количествах выделяется потенциально опасный сероводород. Он ядовит, поэтому крайне нежелательно, чтобы люди подвергались его воздействию;
- смесь газов из биореактора очищается и поступает в газгольдер, где хранится до момента использования по назначению;
- газ из газгольдера можно использовать точно так же, как природный. Он поступает к бытовым приборам – газовым печам, отопительным котлам и т.п.;
- разложившуюся биомассу необходимо регулярно удалять из ферментатора. Это дополнительные трудозатраты, однако усилия окупаются. После брожения сырье превращается в высококачественное удобрение, которое используют на полях и огородах.
Биогазовая установка выгодна для владельца частного дома только в том случае, если у него есть постоянный доступ к отходам животноводческих ферм. В среднем из 1 м.куб. субстрата можно получить 70-80 м.куб. биогаза, но выработка газа идет неравномерно и зависит от многих факторов, в т.ч. температуры биомассы. Это осложняет расчеты.
Чтобы процесс получения газа был стабильным и непрерывным, лучше всего строить несколько биогазовых установок, а субстрат в ферментаторы закладывать с разницей во времени. Такие установки работают параллельно, а сырье в них загружают последовательно.
Это гарантирует постоянную выработку газа, благодаря чему можно добиться его непрерывного поступления к бытовым приборам.
Самодельное биогазовое оборудование, собранное из подручных материалов, обходится гораздо дешевле установок промышленного производства. Его эффективность ниже, но вполне соответствует вложенным средствам. Если есть доступ к навозу и желание приложить собственные усилия для сборки и обслуживания конструкции, это очень выгодно.
Необходимые условия
Владельцы производящей биогаз системы отмечают высокую эффективность ее работы. Однако есть 3 условия, которые должны соблюдаться, чтобы установка была полезной.
- Несмотря на размеры предполагаемой биогазовой установки, для нее потребуется специально отведенное место. Для небольшой системы добычи газа вполне может подойти гараж или сарай, но установки, способные полностью отапливать жилище, потребуют много места. Часто для экономии полезной площади на частной территории резервуары вкапывают на открытом пространстве.
- Перед тем как конструировать биогазовую установку, следует понять, что она нуждается в постоянном наблюдении. Нельзя сказать, что потребуется неустанно быть возле системы, но, чтобы избежать опасностей случайного выброса газа, установку надо изредка контролировать. На время длительных отъездов ее нужно очищать, а резервуары – открывать.
- Чтобы начать строительство биогазовой установки для отопления дома или приготовления пищи, следует рассчитать имеющееся количество сырья. Если биомасса будет закупаться, тогда нужно убедиться, что сырье всегда есть в наличии, так как недостаточный объем массы значительно снижает добычу.
Ориентировочный расчет стоимости
Прежде чем приступать к проектированию установки, необходимо тщательно просчитать все предстоящие расходы. В некоторых случаях — суровый климат, небольшое количество доступного сырья — выгоднее отказаться от постройки.
Затраты на добычу биогаза
Домашняя мини-станция обойдется примерно в 50 тыс. руб.
Затраты на добычу биогаза складываются из стоимости аппаратуры, расходов на монтаж и обслуживание установок. Если используют покупное сырьё, учитывают его стоимость расходы по доставке.
Саму установку покупают в заводском изготовлении или делают самостоятельно. Фабричные изделия устанавливают, настраивают и обслуживают специализированные организации. Для некоторых моделей придётся приобретать расходные материалы — активаторы брожения или бактерии.
Во время эксплуатации расходы состоят из затрат электроэнергии на перемешивание субстрата и обогрев реактора.
Стоимость готовой и самодельной биогазовой установки
Фермерская установка будет стоить несколько сотен тыс. руб.
Промышленность выпускает биогазовые установки для фермерских хозяйств. Объём биореактора варьируется от 0,5 до 30 м³. Готовая система с резервуаром на 1м³, например, БУГ-М, содержащая все необходимые компоненты, стоит около 180 тысяч рублей. Установки для фермерских хозяйств с количеством стада КРС 12 голов или 1000 голов птицы обойдётся в 2 млн. рублей.
Немногие хозяйства могут позволить покупку такой техники, поэтому предпочитают изготовить установку самостоятельно.
Домашние генераторы могут обойтись в сумму от 50 тысяч рублей, что позволяет значительно сэкономить на покупке.
Преимущества биогаза
Биогаз экологичен
Биогаз является возобновляемым, а также чистым источником энергии. Газ, получаемый в результате биоразложения, не загрязняет окружающую среду; это фактически уменьшает выбросы парниковых газов (то есть уменьшает парниковый эффект).
В процессе не происходит сгорания, что означает отсутствие выброса парниковых газов в атмосферу; поэтому использование газа из отходов как формы энергии на самом деле является отличным способом борьбы с глобальным потеплением.
Неудивительно, что забота об окружающей среде является основной причиной, по которой использование биогаза стало более распространенным. Биогазовые установки значительно сдерживают парниковый эффект: заводы снижают выбросы метана, улавливая этот вредный газ и используя его в качестве топлива.
Производство биогаза помогает снизить зависимость от использования ископаемого топлива, такого как нефть и уголь.
Другое преимущество биогаза состоит в том, что, в отличие от других видов возобновляемых источников энергии, этот процесс является естественным и не требует энергии для процесса генерации.
Кроме того, сырье, используемое в производстве биогаза, является возобновляемым, поскольку деревья и сельскохозяйственные культуры будут продолжать расти. Навоз, пищевые отходы и растительные остатки – это сырье, которое всегда будет в наличии, что делает его весьма устойчивым вариантом.
Выработка биогаза снижает загрязнение почвы и воды
Переполненные свалки не только распространяют неприятные запахи – они также позволяют токсичным жидкостям стекать в подземные источники воды. Следовательно, еще одно преимущество биогаза заключается в том, что производство биогаза может улучшить качество воды. Кроме того, анаэробное пищеварение дезактивирует патогены и паразитов; таким образом, он также довольно эффективен в снижении заболеваемости болезнями, передаваемыми через воду. Аналогичным образом, сбор и утилизация отходов значительно улучшаются в районах с биогазовыми установками. Это, в свою очередь, приводит к улучшению состояния окружающей среды, санитарии и гигиены.
Биореакор производит органические удобрения
Побочным продуктом процесса генерации биогаза является обогащенный органический (дигестат), который является идеальным дополнением или заменой химических удобрений.
Выброс удобрений из биогазовой установки может ускорить рост растений и устойчивость к болезням, тогда как коммерческие удобрения содержат химические вещества, которые оказывают токсическое воздействие и могут вызывать пищевое отравление, среди прочего.
Это простая и недорогая технология, которая способствует циркулярной экономике
Технология производства биогаза довольно дешевая. Онв проств в настройке и не требует больших вложений в небольших масштабах. Небольшие биодегустаторы можно использовать прямо дома, используя кухонные отходы и навоз.
Бытовая система окупается через некоторое время, а материалы, используемые для генерации газа, абсолютно бесплатны. Проявленный газ может быть использован непосредственно для приготовления пищи и выработки электроэнергии.
Это то, что позволяет себестоимости производства биогаза быть относительно низким.
Фермы могут использовать биогазовые установки и отходы, производимые их домашним скотом каждый день. Отходы одной коровы могут дать достаточно энергии для питания лампочки на целый день.
На больших станциях биогаз также может быть сжат для достижения качества природного газа и использован для питания автомобилей. Строительство таких заводов требует относительно небольших капиталовложений и создает экологичные рабочие места. Например, в Индии было создано 10 миллионов рабочих мест, в основном в сельской местности, на заводах и в сборе органических отходов.
Инструкция по самостоятельному строительству
Если нет опыта в сборке сложных систем, имеет смысл подобрать в сети или разработать самый простой чертеж биогазовой установки для частного дома.
Чем проще конструкция, тем она надежнее и долговечнее. Позже, когда появятся навыки строительства и обращения с системой, можно будет переделать оборудование или смонтировать дополнительную установку.
В дорогих конструкциях промышленного производства предусмотрены системы перемешивания биомассы, автоматического подогрева, очистки газа и т.д. Бытовое оборудование не так сложно. Лучше собрать простую установку, а потом добавить элементы, в которых возникнет необходимость
При расчете объема ферментатора стоит ориентироваться на 5 м.куб. Такая установка позволяет получить количество газа, необходимое для обогрева частного дома площадью 50 м.кв., если в качестве источника тепла используют газовый котел или печь.
Это усредненный показатель, т.к. калорийность биогаза обычно не выше 6000 ккал/м.куб.
Чтобы процесс ферментации протекал более-менее стабильно, нужно добиться правильного температурного режима. Для этого биореактор устанавливают в земляной яме или заранее продумывают надежную теплоизоляцию. Постоянный подогрев субстрата можно обеспечить, если под основание ферментатора подвести трубу водяного отопления
Строительство биогазовой установки можно разделить на несколько этапов.
Этап 1 – подготовка ямы под биореактор
Практически вся биогазовая установка находится под землей, поэтому многое зависит от того, как была вырыта и отделана яма. Есть несколько вариантов укрепления стенок и герметизации ямы – пластик, бетон, полимерные кольца.
Оптимальное решение – покупка готовых полимерных колец с глухим дном. Они обойдутся дороже подручных материалов, зато не потребуется дополнительная герметизация. Полимеры чувствительны к механическим нагрузкам, зато не боятся влаги и химически агрессивных веществ. Они не подлежат ремонту, но при необходимости их легко будет заменить.
От подготовки стен и днища биореактора зависит интенсивность брожения субстрата и выход газа, поэтому яму тщательно укрепляют, утепляют и герметизируют. Это самый сложный и трудоемкий этап работ
Этап 2 – обустройство газового дренажа
Покупка и монтаж специальных мешалок для биогазовых установок – дорогое удовольствие. Систему можно удешевить, обустроив газовый дренаж. Он представляет собой вертикально установленные полимерные канализационные трубы, в которых проделано множество отверстий.
При расчете длины труб дренажа следует ориентироваться на запланированную глубину заполнения биореактора. Верхние части труб должны быть выше этого уровня.
Для газового дренажа можно выбрать металлические или полимерные трубы. Первые прочнее, а вторые устойчивее к химическим воздействиям. Лучше отдать предпочтение полимерам, т.к. металл быстро проржавеет и сгниет
В готовый биореактор можно сразу загрузить субстрат. Его накрывают пленкой, чтобы выделяющийся в процессе ферментации газ находился под небольшим давлением. Когда будет готов купол, это обеспечит нормальную подачу биометана по отводящей трубе.
Этап 3 – монтаж купола и труб
Завершающий этап сборки простейшей биогазовой установки – это монтаж купольной верхней части. В самой высокой точке купола устанавливают газоотводящую трубу и протягивают ее к газгольдеру, без которого не обойтись.
Емкость биореактора закрывают плотной крышкой. Чтобы предотвратить смешивание биометана с воздухом, обустраивают гидрозатвор. Также он служит для очистки газа. Нужно предусмотреть спусковой клапан, который сработает, если давление в ферментаторе будет слишком высоким.
Более подробно отом, как сделать биогаз из навоза читайте в этом материале.
Свободное пространство биореактора в какой-то мере выполняет функции хранилища газа, однако этого недостаточно для безопасной работы установки. Газ должен потребляться постоянно, иначе возможен взрыв от избыточного давления под куполом
Монтируем установку
Схема биогазовой установки с ручной загрузкой
На первом этапе нужно определиться с количеством возможного сырья, какой объем отходов жизнедеятельности животных накапливается каждый день, сколько травы или жмыха можете позволить себе расходовать на нужды обогрева. Определите объем реакционной коробки, в которой планируете вырабатывать газ, и выберите место под установку. Это самый ответственный момент. Оборудование стоит установить в отдельном помещении во избежание аварийных ситуаций (все-таки имеем дело с опасным газом метаном) и с учетом неприятного запаха, выделяемого при работе. Завершающий этап: монтируем трубы для загрузки и выгрузки материала. Подготавливаем яму необходимого размера для оборудования.
Итак, резервуар для реактора помещен в подготовленную яму или у стены отдельного помещения, трубы подведены, приступаем к монтажу загрузочного отделения и системы газоотвода.
Устанавливаем крышку на входное отверстие, которая будет служить дверцей для загрузки сырья в топку. Проверяем герметичность. Помните, что кислород не должен поступать в систему. Производим теплоизоляцию. Биогазовая установка сделана своими руками и готова к работе. Поздравляем!
С ручной загрузкой без подогрева или с естественным/пневматическим подогревом – это самая функционально простая энергоустановка. Для ее изготовления понадобятся реактор, бак для загрузки сырья, прибор для отбора и использования полученного газа и устройство для выгрузки перебродившего материала. По указанной схеме сделать установку способен любой хозяин.
Более подробно посмотреть на процесс установки по выработке биологического газа вы можете на видео:
