Метановое "брожение", или биометаногенез, - процесс превращения биомассы в энергию европейцами был открыт только в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, получающийся в ходе этого процесса, представляет собой смесь из метана 65%, углекислого газа 30%, 1% сероводорода и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и закиси углерода. (А. Сассон)
Первые сведения о практическом использовании биогаза, европейцами полученного из сельскохозяйственных отходов, относятся к 1814 году, когда Дейви собрал биогаз при исследовании агрохимических свойств навоза крупного рогатого скота. Для сбора отходов, начиная с 1881 года, стали использоваться закрытые емкости, которые, после небольшой модификации, получили название "септик". Еще в 1895 году уличные фонари в одном из районов города Эксетер (Англия) снабжались газом, который получали в результате брожения сточных вод. Начиная с 1897 года, очистка вод в этом городе проводилась в таких емкостях, из которых биогаз собирали и использовали для обогрева и освещения.
В настоящее время известны биореакторы различных конструкций, где предусмотрены прочность материала, из которого создана установка, устройства для перемешивания массы и теплопереноса, подготовка и подогрев загружаемого суб-страта, забор и аккумулирование биогаза и отвода осадков.
Карагандинский ЭкоМузей с 1 декабря 2000 г. реализует проект "BIOGAS", по внедрению в Карагандинской области биогазовых технологий. Данный проект является первым опытом использования биогазовых технологий в Центральном Казахстане. За время реализации проекта Экологический Музей накопил достаточно много опыта и информации о строительстве, запуске и эксплуатации биогазовых установок, причем данный опыт привязан к местным условиям Центрального Казахстана, где ранее не использовались подобные технологии.
Сотрудники Карагандинского Экологического Музея разработали и претворили в жизнь несколько технологий строительства биогазовых установок, приспособленных для крестьян и фермеров Казахстана.
Зачем нам нужен биогаз?
Биогаз - это продукт обмена веществ метановых бактерий, который образует-ся в результате разложения органической массы.
Биогаз является высококачественным и полноценным носителем энергии и может многосторонне использоваться как топливо в домашнем хозяйстве и в среднем и мелком предпринимательстве для приготовления пищи, производства электро-энергии, отопления жилых и производственных помещений, кипячения, сушки и ох-лаждения. Теплота сгорания в среднем равна 6,0 кВт/ч/куб.м
В какой степени биогаз может заменить традиционное топливо, зависит от объема и эффективности установки. Карагандинский опыт использования БГУ пока-зывает, что установка объемом 8 куб. м. и работающая на свином навозе может пол-ностью заменить газ пропан, используемый для приготовления пищи в семье из пяти человек. БГУ объемом 60 куб.м может использоваться для отопления жилого поме-щения площадью 200 кв.м и производственного помещения размером 400 кв.м.
При эксплуатации биогазовой установки отработанное сырье является также полезным продуктом, способным улучшить экономические и экологические условия крестьянского или фермерского хозяйства. Биошлам - это высококачественное удоб-рение, сырье для производства биогумуса, субстрата для выращивания грибов. А при соответствующих параметрах установки и контроле над соблюдением температур-ного режима работы БГУ - кормовая добавка животным, которым необходим для нормального развития животный белок (свиньи, куры и пр.) и прикорм для рыбы в рыбных хозяйствах.
Подводя итоги, использование биогазовых технологий может принести следующие выгоды:
Экономия времени и труда
- Уменьшается время на приготовление пищи
- Уменьшается время на мытье посуды
- Уменьшается время на уборку на кухне
- Высвобождается время, затрачиваемое на обслуживание печи (очистка печи от золы, уборка золы, поднос топлива, загрузка печи, розжиг, наблюдение за печью и добавление топлива)
- Высвобождается время, затрачиваемое ранее на сбор, транспортировку, сушку и складирование кизяка или поиски, транспортировку и перегрузку угля, и поиски, покупку, рубку, сушку и складирование дров
- Уменьшается время на прополку сорняков (их семена погибают в накопителе)
Экономия денег
- Экономятся деньги, затрачиваемые на печное топливо или электричество
- Продлевается срок службы кухонной посуды
- Экономятся деньги на покупку удобрений и гербицидов
Возможность получения дополнительных денег
- Вы можете продать излишки газа соседям или обменять на что-нибудь
- Вы можете продать компост
- При использовании компоста повышается урожайность ваших с/х культур и Вы можете выручить больше денег от их продажи.
Экологические выгоды
- Уменьшение выброса в атмосферу метана (парниковый газ)
- Уменьшение количества сжигаемого угля, дров или топлива для выработки электроэнергии, и как следствие уменьшение образуемого углеки-слого газа (парниковый газ) и вредных продуктов сгорания
- Уменьшение сброса в окружающую среду загрязненных вод
- Очищение загрязненных вод от органических веществ и микроорганизмов
- Сохранение леса от вырубки
- Уменьшение необходимости в химических удобрениях
- Очищение воздуха в доме и селе от продуктов сгорания угля
- Уменьшение загрязнения воздуха азотистыми соединениями, дезодорирование воздуха
Экономия места
- Высвобождается место, ранее занимаемое углем или кизяком
Удобства
- Очищается воздух в доме и на кухне
- Уменьшается объем неиспользуемого мусора (мусора становится меньше)
- Используются все органические отходы, включая отходы туалета
- В огороде и на поле становится меньше сорняков, их семена гибнут в накопителе
- Уменьшается запах от навоза во дворе (бионакопитель анаэроб-ный, то есть не имеет контакта с воздухом)
- Уменьшается количество мух
Сохранение здоровья
- Уменьшается риск заболеть болезнями, связанными с загрязненным воздухом - респираторными и глазными заболеваниями
- Улучшается эпидемиологическая обстановка из-за гибели в накопителе микроорганизмов и уменьшения мест размножения насекомых
Для того, чтобы разобраться, какие выгоды и прибыли может принести экс-плуатация биогазовой установки в вашем конкретном фермерском или крестьянском хозяйстве, вы должны понять:
1. сколько затрат потребуется для строительства БГУ,
2. как можно эти затраты сократить
3. и за какое время эти затраты окупятся.
Ответы на поставленные вопросы можно получить, составив подробный план строительства установки, ее эксплуатации и реализации полученных продуктов.
КАКИМИ БЫВАЮТ БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ
Для большей ясности приведем несколько определений, часто используемых в этой главе терминов:
Биореактор - резервуар, (сосуд, емкость) в котором созданы условия для жизнедеятельности метангенерирующих бактерий. Как синоним термина "реактор" в некоторой литературе используются термины "реактор", "метантенк", "метантанк" "септик" - все они имеют один смысл
Система отопления - система парового (водяного) отопления позволяющая поддерживать рабочую температуру в биореакторе, особенно в зимний период.
Перемешивающее устройство
- устройство расположенное внутри биореактора и позволяющее перемешивать перерабатываемую массу для ускорения полной переработки.
Загрузочное и выгрузное отверстия - проемы в биореакторе, через которые загружается сырье и выгружается переработанная биомасса.
Все биогазовые установки делятся по рабочему циклу на два типа: непрерывно работающие и работающие периодически.
Непрерывно работающие биогазовые установки постоянно подгружаются сырьем, и одновременно переработанная биомасса отгружается. Таким образом, работа установки не прерывается.
Биогазовые установки, работающие периодически или циклично, загружаются полностью до рабочего уровня и герметически закрываются, в течение некоторого промежутка времени установка активно выделяет биогаз, после полной переработки биомассы установка разгружается и рабочий цикл повторяется.
Форма реактора и применяемые строительные материалы. В ходе реализации проекта были разработаны биогазовые установки, способные работать в условиях Центрального Казахстана.
Цилиндрические биогазовые установки располагаются горизонтально, если установка непрерывно работающего типа, и вертикально при циклично работающей установке.
Эллипсоидные биогазовые установки имеют форму, близкую к яйцеобразной. С точки зрения процесса биометаногенеза такая форма биореактора наиболее оптимальна - в ней происходят процессы естественного перемешивания, а также отвода шлама и стока осадков. Строятся биогазовые установки подобной формы из бетона или возводятся из кирпича.
Оборудование, используемое для производства биогаза. Для повышения вы-хода биогаза из установки применяется дополнительное оборудование:
1. Фекальные насосы применяются для откачки переработанной биомассы и значительно облегчают обслуживание биогазовой установки.
2. Циркуляционные насосы применяются в системе отопления установки и позволяют поддерживать рабочую температуру с меньшими энергозатратами.
3. Перемешивающие устройства применяются для перемешивания перерабатываемой биомассы внутри реактора, что повышает производитель-ность установки и уменьшает время, необходимое для переработки биомассы.
4. Обратный клапан, устанавливаемый в систему газоотвода, не-обходим для предотвращения попадания воздуха в биореактор.
5. Газовый котел отопления, подключается к системе отопления установок и работает на выделяемом биогазе и потребляет до 5% от всего ко-личества газа.
Производительность БГУ
Как уже было отмечено ранее, продуктами производства БГУ являются биогаз и биошлам.
Производительность биогаза - выход биогаза (м3) с единицы субстрата (м3) за период ферментации.
Производительность биогаза зависит следующих параметров:
- объема реактора установки; чем больше объем установки, тем больше выход газа
- температуры в реакторе, при которой происходит брожение (фермента-ция); метанобразующие бактерии в безкислородных условиях могут выделять газ в температурном интервале от 0С- до 70С. Однако, наиболее интенсивно биогаз выделяется в 2-х температурных интервалах. Необходимо отметить, что при различной температуре "работают" различные виды метаногенерирующих бактерий. Первый интервал (мезофильный, т.к работают мезофильные бактерии) от 25С - 38С - оптимальная температура 37С. Второй интервал (термофильный, т.к. работают термофильные бактерии) от 45С - 60С - оптимальная температура 56С. Каждый из этих интервалов обладает рядом преимуществ и недостатков, подробно с ними можно ознакомиться ниже.
МЕЗОФИЛЬНЫЙ ТИП ФЕРМЕНТАЦИИ
Плюсы
- Производительность газа практически не снижается при отклонении температуры на 1-2oС от оптимума;
-Требуется меньше энергетических затрат на поддержание температуры.
Минусы
- Выделение газа менее интенсивно;
- Требуется больше времени до полного разложения субстрата -25 дней;
- Биошлам полученый при данном режиме не является полностью стерильным.
ТЕРМОФИЛЬНЫЙ ТИП ФЕРМЕНТАЦИИ
Плюсы
- Выделение газа интенсивнее;
- Требуется меньше времени до полного разложения субстрата - 12 дней;
- Биошлам полученый при данном режиме является полностью стерильным и поэтому его можно применять в качестве кормовых добавок животным.
Минусы
- Производительность газа значительно снижается при отклонении температуры на 1-2oС от оптимума;
- Требуется больше энергетических затрат на поддержание температуры.
- от сырья. Сырьем для БГУ может быть навоз домашних животных, растительная масса и другие органические остатки. В зависимости от используемого субстрата, производительность биогаза варьирует. Примерные данные указаны в таблице №1
Таблица №1. Производительность биогаза в зависимости от используемого сырья за период ферментации (Archea 2000г, Германия).
Сырье (субстрат) | Биогаз (м3 на м3 субстрата) |
| Куринный помет | 53,71 |
| Конский навоз | 40,60 |
| Навоз КРС | 32,40 |
| Навоз КРС (свежий) | 76,69 |
| Овечий навоз | 162,00 |
| Свиной навоз | 25,52 |
Влажности загружаемого субстрата; Процесс брожения может происходить при влажности от 50% до 95%, однако учеными доказано для животноводческих отходов процесс метанообразования оптимально протекает при влажности сырья от 90-95 .
- времени пребывания субстрата в реакторе; Оптимальное время пребывания субстрата в реакторе различается в зависимости от рабочей температуры и вида сбраживаемого сырья. При мезофильном типе ферментации -25- 30 дней, при термофильном - 10-15дней.
Эксплуатация биогазовых установок
1.Пуск установки осуществляется в несколько этапов.
Первоначально производится загрузка установки сырьем, очень важным аспектом этого действия является влажность загружаемого субстрата - она должна составлять в зимний период 85%, летом до 92%. Установка загружается до гидрозатвора. Для ускорения начала процесса метаногенеза в загруженный субстрат заливается закваска (биошлам или субстрат из работающей установки). За неимением закваски в субстрат вносят свежий навоз КРС.
Периодичность загрузки субстрата определяется опытным путем для каждой биогазовой установки, этот параметр зависит от многих показателей: температуры субстрата, вида животных производящих сырье, влажности субстрата, объема установки и пр. До оптимальной влажности сырье доводят перед загрузкой в установку. Субстрат разбавляют теплой водой (35-40 град.) тщательно размешивают, а потом заливают в загрузное отверстие установки. От влажности сырья зависит объем выходящего биогаза, время переработки сырья и степень его разложения. В летний период оптимальная влажность 92%, зимой оптимальной является 85% влажность.
3. Поддержание оптимальной температуры.
В условиях Центрального Казахстана необходимо подогревать работающий реактор. При строительстве внутри реактора монтируются трубчатые теплообменники, которые, в зависимости от конструкции установки, подводятся либо к паровому отоплению жилого дома (установки малого объема), либо к автономному отопительному котлу, работающему на биогазе. Для снижения теплопотерь, загружаемый субстрат разбавляют горячей (температура не выше 60оС) водой.
4. Перемешивание.
Перемешивание субстрата внутри реактора значительно повышает эффективность работы БГУ, так как препятствует образованию осадка и плавающей корки и обеспечивает перемещение массы в реакторе.
5. Аккумулирование биогаза.
Поскольку биогаз расходуется неравномерно, а установка вырабатывает его постоянно, то возникает вопрос об его аккумулировании. Собирать газ можно в резиновые камеры, используемые в колесах сельскохозяйственных машин.
6. Использование биогаза.
Биогаз используется для приготовления пищи, отопления жилых помещений, отопления производственных помещений (теплиц, птичников и др.).
7. Использование биошлама.
Биошлам используется как удобрение на полях хозяйства, при полной переработке субстрата в реакторе установки, биошлам можно использовать как добавку в корм свиньям и домашней птице. После несложной обработки (фильтрация и сушка) биошлама его можно реализовывать в коммерческих целях. Потенциальные покупатели удобрения из биошлама - садоводческие хозяйства, дачные кооперативы и пр.
8. Техника безопасности.
В состав биогаза входят сероводород (H2S), углекислый газ (CO2) и метан. Метан, входящий в состав биогаза, практически не ядовит. Он легче воздуха, легко воспламеняется и образует с воздухом (5-15% метана) или кислородом взрывчатую смесь. В случае утечки, при наличии вентиляции, газ улетучивается без каких либо последствий. Сероводород, если и представляет опасность для здоровья людей, то встречается в небольших количествах и легко обнаруживается по неприятному запаху. Поскольку сероводород тяжелее воздуха, необходимо обращать внимание на то, чтобы при утечках этот газ не смог накапливаться в углублениях. При высоких концентрациях он притупляет восприятие запаха, что затрудняет его обнаружение и может привести к смертельным отравлениям, но еще раз можно отметить, что доля сероводорода в биогазе очень мала и состовляет не более 1 %. Углекислый газ (CO2) входящий в состав биогаза, тоже может скапливаться в глубоких выемках, так как он тяжелее воздуха, при наличии неплотностей в установке вызывает опасность удушья.
Заключение
Если вас заинтересовала эта информация в нашей брошюре, и вы решились построить в вашем хозяйстве биогазовую установку, то хотелось бы вам дать еще несколько советов и рекомендаций.
Совет №1.
Перед строительством установки хорошенько обдумайте вопрос об использовании биошлама. От этого зависит форма реактора и температурный режим. В случае использования биошлама как удобрения, снижается стоимость обслуживания и строительства. В случае использования биошлама как пищевых добавок для скота и птицы возрастает стоимость, но уменьшается время на окупаемость. Скот и птица, получающие такие добавки быстрее набирают вес, снижается падеж, за счет чего можно получить прибыль в домашнем (крестьянском или фермерском) хозяйстве.
Совет №2.
Определившись с формой и объемом реактора, можно начинать составлять свою смету на строительство. Подведя черту "итого", не хватайтесь сразу за голову от высоких сумм. Стоимость установки можно значительно снизить, используя в некоторых случаях бросовый или "проверенный временем" строительный материал.
Совет №3.
Подготовив список необходимых строительных материалов, можно что-то не найти в вашем городе или районе. Посоветуйтесь с нами, мы вам сможем подсказать, какой строительный материал можно использовать взамен не найденного.
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).
| 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.
| 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 | |
| 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 | |
| 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 | |
| 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:
овые установки. Алеманам, населявшим заболоченные земли бассейна Эльбы, чудились Драконы в корягах на болоте. Они полагали, что горючий газ скапливающийся в ямах на болотах - это дурно пахнущее дыхание Дракона. Чтобы задобрить Дракона в болото бросались жертвоприношения и остатки пищи. Люди верили, что Дракон приходит ночью и его дыхание остается в ямах. Алеманы додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото, отводить газ по кожаным же трубкам к своему жилищу и сжигать его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал проблему.Человечество научилось использовать биогаз давно. В Китае его история насчитывает 5 тыс. лет, в Индии – 2 тыс. лет.
Природа биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась. Но современные наука и техника создали оборудование и системы, позволяющие сделать эти “древние” технологии рентабельными и с широким спектром применения.
Биогаз - газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий.
Биогазовая установка – установка для производства биогаза и других ценных побочных продуктов путем переработки отходов сельскохозяйственного производства, пищевой промышленности, городского хозяйства.
Получение биогаза из органических отходов имеет следующие положительные особенности:
- осуществляется санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и коммунально-бытовых), содержание органических веществ снижается до 10 раз;
- анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства и активного ила позволяет получать уже готовые к использованию минеральные удобрения с высоким содержанием азотной и фосфорной составляющей (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30-40% азота);
- при метановом брожении высокий (80-90%) КПД превращения энергии органических веществ в биогаз;
- биогаз с высокой эффективностью может быть использован для получения тепловой и электрической энергии, а также в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания;
- биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов и сложной инфраструктуры;
- биогазовые установки могут частично или полностью заменить устаревшие региональные котельные и обеспечить электроэнергией и теплом близлежащие деревни, поселки, небольшие города.
Выгоды, которые получает владелец биогазовой установки
Прямые
- производство биогаза (метана)
- производство электричества и тепла
- производство экологически чистых удобрений
Косвенные
- независимость от централизованных сетей, тарифов естественных монополий, полное самообеспечение электроэнергий и теплом
- решение всех экологических проблем предприятия
- значительное снижение затрат на захоронение, вывоз, утилизацию отходов
- возможность собственного производства моторного топлива
- снижение затрат на персонал
Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.
Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.
Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива.
Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.
Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании - биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия - 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.
В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи.
Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае - более 10 млн (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн крестьян. В конце 2006 года в Китае действовало уже около 18 млн биогазовых установок. Их применение позволяет заменить 10,9 млн тонн условного топлива.
Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна. По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10 % автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.
Муниципалитет Осло в начале 2009 года перевёл на биогаз 80 городских автобусов. Стоимость биогаза составляет €0,4 - €0,5 за литр в бензиновом эквиваленте. При успешном завершении испытний на биогаз будут переведены 400 автобусов.
Потенциал
Россия ежегодно накапливает до 300 млн т в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн т в сельскохозяйственном производстве, 50 млн т в виде бытового мусора. Эти отходы могут быть сырьём для производства биогаза. Потенциальный объём ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд м³.
В США выращивается около 8,5 миллионов коров. Биогаза, получаемого из их навоза, будет достаточно для обеспечения топливом 1 миллиона автомобилей.
Потенциал биогазовой индустрии Германии оценивается в 100 миллиардов кВт·ч энергии к 2030 году, что будет составлять около 10% от потребляемой страной энергии.
По данным на 1 февраля 2009 г. в Украине в действии и в стадии ввода в действие находится 8 объектов агропромышленного комплекса по производству биогаза. На стадии проработки находятся еще 15 проектов биогазовых установок. В частности, в 2009-2010 гг. планируется внедрить производство биогаза на 10 спиртовых заводах, что позволит предприятиям сократить потребление природного газа на 40%.
По материалам
Одна из задач, которую приходится решать в сельском хозяйстве — утилизация навоза и растительных отходов. И это довольно серьезная проблема, которая требует постоянного внимания. На утилизацию уходят не только время и силы, но и приличные суммы. Сегодня есть, как минимум, один способ, позволяющий эту головную боль превратить в статью дохода: переработка навоза в биогаз. В основе технологии лежит природный процесс разложения навоза и растительных остатков за счет содержащихся в них бактерий. Вся задача в создании особых условий для наиболее полного разложения. Эти условия — отсутствие доступа кислорода и оптимальная температура (40-50 o C).
Все знают, как чаще всего утилизируют навоз: складывают в кучи, потом, после ферментации, вывозят на поля. В этом случае образовавшийся газ выделяется в атмосферу, туда же улетает и 40% содержащегося в исходном веществе азота и большая часть фосфора. Получающееся в результате удобрение далеко не идеально.
Для получения биогаза необходимо чтобы процесс разложения навоза проходил без доступа кислорода, в закрытом объеме. В этом случае и азот, и фосфор остаются в остаточном продукте, а газ скопится в верхней части емкости, откуда его легко выкачать. Получаются два источника прибыли: непосредственно газ и эффективное удобрение. Причем удобрение высшего качества и безопасное на 99%: большая часть болезнетворных микроорганизмов и яйца гельминтов погибают, содержащиеся в навозе семена сорных трав теряют всхожесть. Существуют даже линии по расфасовке этого остатка.
Второе обязательное условие процесса переработки навоза в биогаз — это поддержание оптимальной температуры. Содержащиеся в биомассе бактерии, при низких температурах малоактивны. Они начинают действовать при температуре среды от +30 o C. Причем в навозе содержатся бактерии двух типов:
Термофильные установки с температурой от +43 o C до +52 o C являются наиболее эффективными: в них навоз обрабатывается 3 дня, на выходе с 1 литра полезной площади биореактора получается до 4,5 литров биогаза (это максимальный выход). Но на поддержание температуры в +50 o C требуются значительные расходы энергии, что не в каждом климате рентабельно. Потому чаще биогазовые установки работают на мезофильных температурах. В этом случае время переработки может составлять 12-30 дней, выход — примерно 2 литра биогаза на 1 литр объема биореактора.
Состав газа меняется в зависимости от сырья и условий переработки, но примерно он следующий: метан — 50-70%, двуокись углерода — 30-50%, а также содержится небольшое количество сероводорода (менее 1%) и совсем небольшой количество аммиака, водорода и соединений азота. В зависимости от конструкции установки в биогазе могут содержаться в значительном количестве пары воды, что потребует их осушения (в противном случае он просто не будет гореть). Как выглядит промышленная установка продемонстрировано в видео.
Это можно сказать целый завод по выработке газа. Но для частного подворья или небольшой фермы такие объемы ни к чему. Простейшую биогазовую установку легко сделать своими руками. Но вот вопрос: «Куда дальше направлять биогаз?» Теплота сгорания получаемого в результате газа от 5340 ккал/м3 до 6230 ккал/м3 (6,21 — 7,24 кВт.ч/м3). Потому его можно подавать на газовый котел для выработки тепла (отопление и горячая вода), или на установку по выработке электричества, на газовую печку и т.д. Вот как использует навоз от своей перепелиной фермы Владимир Рашин — конструктор биогазовой установки.
Получается, что имея хоть какое-то более-менее приличное количество скота и птицы, можно самому полностью обеспечить потребности своего хозяйства в тепле, газе и электричестве. А если установить на автомобили газовые установки, то и топливом для автопарка. Учитывая, что доля энергоносителей в себестоимости продукции 70-80% вы сможете только на биореакторе сэкономить, а потом и заработать множество денег. Ниже приведен скриншот экономического расчета рентабельности биогазовой установки для небольшого хозяйства (по состоянию на сентябрь 2014). Хозяйство мелким не назовешь, но и не крупное однозначно. Просим прощения за терминологию — это авторский стиль.
Это примерный расклад требуемых затрат и возможных доходов Схемы самодельных биогазовых установок
Схемы самодельных биогазовых установок
Простейшая схема биогазовой установки — это герметичная емкость — биореактор, в который сливается подготовленная жижа. Соответственно есть люк загрузки навоза и люк выгрузки переработанного сырья.
Простейшая схема биогазовой установки без «наворотов»
Емкость заполняется субстратом не полностью: 10-15% объема должно оставаться свободным для сбора газа. В крышку бака встраивается труба для отведения газа. Так как в полученном газе содержится довольно большое количество водяных паров, гореть в таком виде он не будет. Потому необходимо его для осушения пропустить через гидрозатвор. В этом нехитром устройстве большая часть водяного пара сконденсируется, и газ уже будет хорошо гореть. Потом газ желательно очистить от негорючего сероводорода и только потом его можно подавать в газгольдер — емкость для сбора газа. А оттуда уже можно разводить к потребителям: подавать на котел или газовую печь. Как сделать фильтры для биогазовой установки своими руками смотрите в видео.
Большие промышленные установки размещают на поверхности. И это, в принципе, понятно — слишком велики объемы земельных работ. Но в небольших хозяйствах чашу бункера закапывают в землю. Это во-первых, позволяет снизить затраты на поддержание требуемой температуры, а во-вторых, на частном подворье и так достаточно всяких устройств.
Емкость можно взять готовую, или в вырытом котловане сделать из кирпича, бетона и т.д. Но придется в этом случае позаботиться о герметичности и непроходимости воздуха: процесс анаэробный — без доступа воздуха, потому необходимо создать непроницаемую для кислорода прослойку. Сооружение получается многослойным и изготовление такого бункера длительный и затратный процесс. Потому дешевле и проще закопать готовую емкость. Раньше это обязательно были металлические бочки, часто из нержавейки. Сегодня с появлением на рынке емкостей из ПВХ можно использовать их. Они химически нейтральны, имеют низкую теплопроводность, длительный срок эксплуатации, и стоят в разы дешевле нержавеек.
Но описанная выше биогазовая установка будет иметь малую производительность. Для активизации процесса переработки необходимо активное перемешивание массы, находящейся в бункере. В противном случае на поверхности или в толще субстрата образуется корка, которая замедляет процесс разложения, газа на выходе получается меньше. Перемешивание проводится любым доступным способом. Например, таким, как продемонстрировано в видео. Привод при этом можно сделать любой.
Есть еще один способ перемешивания слоев, но немеханический — барбитация: вырабатываемый газ под давлением подают в нижнюю часть емкости с навозом. Поднимаясь вверх, пузырьки газа будут разбивать корку. Так как подается все тот же биогаз, то никаких изменений условий переработки не будет. Также этот газ нельзя считать расходом — он снова попадет в газгольдер.
Как говорилось выше, для хорошей производительности необходима повышенная температура. Чтобы не особенно тратиться на поддержание этой температуры необходимо позаботиться об утеплении. Какого типа теплоизолятор выбирать, конечно, дело ваше, но сегодня самый оптимальный — пенополистирол. Он не боится воды, не поражается грибками и грызунами, имеет длительный срок эксплуатации и отличные показатели по теплоизоляции.
Формы биореактора могут быть разные, но чаще всего встречается цилиндрическая. Она неидеальна с точки зрения сложности перемешивания субстрата, но используется чаще, потому что у людей накоплен большой опыт построения подобных емкостей. А если такой цилиндр разделить перегородкой, то можно использовать их как два отдельных резервуара, в которых процесс смещен по времени. При этом в перегородку можно встроить нагревательный элемент, таким образом решив проблему поддержания температуры сразу в двух камерах.
В самом простом варианте самодельные биогазовые установки — это прямоугольной формы яма, стенки которой сделаны из бетона, а для герметичности обработаны слоем стеклопластика и полиэфирной смолы. Такая емкость снабжается крышкой. Она крайне неудобна в эксплуатации: трудно реализуется и подогрев, перемешивание и отведение сбродившей массы, добиться полной переработки и высокой эффективности невозможно.
Чуть лучше обстоит дело с траншейными биогазовыми установками переработки навоза. Они имеют скошенные края, что облегчает загрузку свежего навоза. Если сделать дно под уклоном, то в одну сторону самотеком будет смещаться сбродившая масса и отбирать ее будет проще. В таких установках нужно предусмотреть теплоизоляцию не только стен, но и крышки. Подобная биогазовая установка своими руками реализуется несложно. Но полной переработки и максимального количества газа в ней не добиться. Даже при условии подогрева.
С основными техническими вопросами разбирались, и вы теперь знаете несколько способов того, как построить установку для получения биогаза из навоза. Остались технологические нюансы.
Что можно перерабатывать и как добиться хороших результатов
В навозе любого животного имеются необходимые для его переработки организмы. Было обнаружено, что в процессе сбраживания и в выработке газа участвует более тысячи различных микроорганизмов. Важнейшую роль при этом играют метанобразующие. Также считается, что все эти микроорганизмы в оптимальных пропорциях находятся в навозе КРС. Во всяком случае, при переработке этого вида отходов в сочетании с растительной массой, выделяется самое большое количество биогаза. В таблице приведены усредненные данные по наиболее распространенным видам сельскохозяйственных отходов. Примите во внимание, что такое количество газа на выходе можно получить при идеальных условиях.
Для хорошей продуктивности необходимо поддерживать определенную влажность субстрата: 85-90%. Но воду при этом нужно использовать не содержащую посторонних химических веществ. Негативно на процессы влияют растворители, антибиотики, моющие средства и т.д. Также для нормального протекания процесса в жиже не должны содержаться крупные фрагменты. Максимальные размеры фрагментов: 1*2 см, лучше более мелкие. Потому если вы планируете добавлять растительные ингредиенты, то необходимо их измельчать.
Важно для нормальной переработки в субстрате поддерживать оптимальный уровень рН: в пределах 6,7-7,6. Обычно среда имеет нормальную кислотность, и лишь изредка кислотообразующие бактерии развиваются быстрее метанобразующих. Тогда среда становится кислой, выработка газа снижается. Для достижения оптимального значения в субстрат добавляют обычную известь или соду.
Теперь немного о времени, которое необходимо на переработку навоза. Вообще время зависит от созданных условий, но первый газ может начать поступать уже на третьи сутки после начала сбраживания. Наиболее активно газообразование происходит при разложении навоза на 30-33%. Чтобы можно было ориентироваться по времени, скажем, что через две недели субстрат разлагается на 20-25%. То есть, оптимально переработка должна продолжаться месяц. В этом случае и удобрение получается наиболее качественным.
Расчет объема бункера для переработки
Для небольших хозяйств оптимальной является установка постоянного действия — это когда свежий навоз поступает небольшими порциями ежедневно и такими же порциями удаляется. Для того чтобы процесс не нарушался доля ежесуточной загрузки не должна превышать 5% от перерабатываемого объема.
Самодельные установки по переработке навоза в биогаз — не вершина совершенства, но достаточно эффективны
Исходя из этого, вы легко определите требуемый объем резервуара для самодельной биогазовой установки. Вам нужно суточный объем навоза с вашего хозяйства (уже в разведенном состоянии с влажностью 85-90%) умножить на 20 (это для мезофильных температур, для термофильных придется умножать на 30). К полученной цифре нужно добавить еще 15-20% — свободное пространство для сбора биогаза под куполом. Основной параметр вы знаете. Все дальнейшие расходы и параметры системы зависят от того, какая схема биогазовой установки выбрана для реализации и как вы все будете делать. Вполне можно обойтись подручными материалами, а можно заказать установку «под ключ». Заводские разработки обойдется от 1,5 млн. евро, установки от «Кулибиных» будут дешевле.
Юридическое оформление
Согласовывать установку придется с СЭС, газовой инспекцией и пожарниками. Вам понадобятся:
- Технологическая схема установки.
- План размещения оборудования и составляющих с привязкой самой установки, местом установки теплового агрегата, места прокладки трубопроводов и энергомагистралей, подключения насоса. На схеме должны быть обозначены громоотвод и подъездные пути.
- Если установка будет находиться в помещении, то необходим также будет план вентиляции, которая будет обеспечивать не менее чем восьмикратный обмен всего воздуха в помещении.
Как видим, без бюрократии и тут не обойтись.
Напоследок немного о производительности установки. В среднем за сутки биогазовая установка выдает объем газа в два раза превышающий полезный объем резервуара. То есть, 40 м 3 навозной жижи дадут в сутки 80 м 3 газа. Примерно 30% уйдет на обеспечение самого процесса (главная статья расходов — подогрев). Т.е. на выходе вы получите 56 м 3 биогаза в день. Для покрытия потребностей семьи из трех человек и на отопление среднего по размерам дома требуется по статистике 10 м 3 . В чистом остатке у вас 46 м 3 в день. И это при небольшой установке.
Итоги
Вложив некоторое количество средств в устройство биогазовой установки (своими руками или под ключ), вы не только обеспечите собственные нужды и потребности в тепле и газе, но и сможете продавать газ, а также получающиеся в результате переработки высококачественные удобрения.
Технология производства биогаза . Современные животноводческие комплексы обеспечивают получение высоких производственных показателей. Применяемые технологические решения позволяют полностью соблюдать требования действующих санитарно-гигиенических норм в помещениях самих комплексов.
Однако большие количества жидкого навоза, сконцентрированные в одном месте, создают значительные проблемы для экологии прилегающих к комплексу территорий. Например, свежий свиной навоз и помёт относятся к отходам, имеющим 3-й класс опасности. Экологические вопросы находятся на контроле надзирающих органов, требования законодательства по этим вопросам постоянно ужесточаются.
Биокомплекс предлагает комплексное решение по вопросам утилизации жидкого навоза, которое включает ускоренную переработку в современных биогазовых установках (БГУ). В процессе переработки, в ускоренном режиме протекают естественные процессы разложения органики с выделением газа включающего: метан, СО2, серу, и т.д. Только получаемый газ не выделяется в атмосферу, вызывая парниковый эффект, а направляется в специальные газогенераторные (когенерационные) установки, которые вырабатывают электрическую и тепловую энергию.
Биогаз - горючий газ , образующийся при анаэробном метановом сбраживании биомассы и состоящий преимущественно из метана (55-75%), двуокиси углерода (25-45%) и примесей сероводорода, аммиака, оксидов азота и других (менее 1%).
Разложение биомассы происходит в результате химико-физических процессов и симбиотической жизнедеятельности 3-х основных групп бактерий, при этом продукты метаболизма одних групп бактерий являются продуктами питания других групп, в определённой последовательности.
Первая группа - гидролизные бактерии, вторая – кислотообразующие, третья - метанобразующие.
В качестве сырья для производства биогаза могут использоваться как органические агропромышленные или бытовые отходы, так и растительное сырьё.
Наиболее распространёнными видами отходов АПК, используемыми для производства биогаза, являются:
- навоз свиней и КРС, помёт птицы;
- остатки с кормового стола комплексов КРС;
- ботва овощных культур;
- некондиционный урожай злаковых и овощных культур, сахарной свёклы, кукурузы;
- жом и меласса;
- мучка, дробина, мелкое зерно, зародыши;
- дробина пивная, солодовые ростки, белковый отстой;
- отходы крахмало-паточного производства;
- выжимки фруктовые и овощные;
- сыворотка;
- и пр.
|
Источник сырья |
Вид сырья |
Количество сырья в год, м3 (тн.) |
Количество биогаза, м3 |
| 1 дойная корова | Бесподстилочный жидкий навоз | ||
| 1 свинья на откорме | Бесподстилочный жидкий навоз | ||
| 1 бычок на откорме | Подстилочный твёрдый навоз | ||
| 1 лошадь | Подстилочный твёрдый навоз | ||
| 100 кур | Сухой помёт | ||
| 1 га пашни | Свежий силос кукурузы | ||
| 1 га пашни | Сахарная свёкла | ||
| 1 га пашни | Свежий силос из зерновых культур | ||
| 1 га пашни | Свежий силос из травы |
Количество субстратов (видов отходов), используемых для производства биогаза в пределах одной биогазовой установки (БГУ), может варьироваться от одного до десяти и более.
Биогазовые проекты в агропромышленном секторе могут быть созданы по одному из следующих вариантов:
- производство биогаза из отходов отдельного предприятия (например, навоза животноводческой фермы, жома сахарного завода, барды спиртового завода);
- производство биогаза на базе отходов разных предприятий, с привязкой проекта к отдельному предприятию либо отдельно расположенной централизованной БГУ;
- производство биогаза с преимущественным использованием энергетических растений на отдельно расположенных БГУ.
Наиболее распространённым способом энергетического использования биогаза является сжигание в газопоршневых двигателях в составе мини-ТЭЦ, с производством электроэнергии и тепла.
Существуют различные варианты технологических схем биогазовых станций — в зависимости от типов и количества видов применяемых субстратов. Использование предварительной подготовки, в ряде случаев, позволяет добиться увеличения скорости и степени распада сырья в биореакторах, а, следовательно, увеличения общего выхода биогаза. В случае применения нескольких субстратов, отличающихся свойствами, например, жидких и твёрдых отходов, их накопление, предварительная подготовка (разделение на фракции, измельчение, подогрев, гомогенизация, биохимическая или биологическая обработка, и пр.) проводится отдельно, после чего они либо смешиваются перед подачей в биореакторы, либо подаются раздельными потоками.
Основными структурными элементами схемы типичной биогазовой установки являются:
- система приёма и предварительной подготовки субстратов;
- система транспортировки субстратов в пределах установки;
- биореакторы (ферментеры) с системой перемешивания;
- система обогрева биореакторов;
- система отвода и очистки биогаза от примесей сероводорода и влаги;
- накопительные ёмкости сброженной массы и биогаза;
- система программного контроля и автоматизации технологических процессов.
Технологические схемы БГУ бывают различными в зависимости от вида и числа перерабатываемых субстратов, от вида и качества конечных целевых продуктов, от того или иного используемого «ноу-хау» компании поставщика технологического решения, и ряда других факторов. Наиболее распространёнными на сегодняшний день являются схемы с одноступенчатым сбраживанием нескольких видов субстратов, одним из которых обычно является навоз.
С развитием биогазовых технологий применяемые технические решения усложняются в сторону двухступенчатых схем, что в ряде случаев обосновано технологической необходимостью эффективной переработки отдельных видов субстратов и повышением общей эффективности использования рабочего объема биореакторов.
Особенностью производства биогаза является то, что он может вырабатываться метановыми бактериями только из абсолютно сухих органических веществ. Поэтому задачей первого этапа производства, является создание смеси субстрата, который имеет повышенное содержание органических веществ, и в то же время может перекачиваться насосами. Это субстрат с содержанием сухих веществ 10-12%. Решение достигается путём выделения излишней влаги с помощью шнековых сепараторов.
Жидкий навоз поступает из производственных помещений в резервуар, гомогенизируется с помощью погружной мешалки, и погружным насосом подаётся в цех разделения на шнековые сепараторы. Жидкая фракция накапливается в отдельном резервуаре. Твёрдая фракция загружается в устройство подачи твёрдого сырья.
В соответствии с графиком загрузки субстрата в ферментёр, по разработанной программе периодически включается насос, подающий жидкую фракцию в ферментёр и одновременно включается загрузчик твёрдого сырья. В качестве варианта, жидкая фракция может подаваться в загрузчик твёрдого сырья, имеющего функцию перемешивания, и затем уже готовая смесь подаётся в ферментёр по разработанной программе загрузки.. Включения бывают непродолжительными. Это сделано, чтобы не допустить излишнего поступления органического субстрата в ферментёр, поскольку это может нарушить баланс веществ и вызовет дестабилизацию процесса в ферментёре. Одновременно включаются также насосы, перекачивающие дигестат из ферментёра в дображиватель и из дображивателя в накопитель дигестата (лагуну), чтобы не допустить переполнения ферментёра и дображивателя.
Находящиеся в ферментёре и дображивателе массы дигестата, перемешиваются для обеспечения равномерного распределения бактерий по всему объёму ёмкостей. Для перемешивания используются тихоходные мешалки специальной конструкции.
В процессе нахождения субстрата в ферментёре, бактериями выделяется до 80% всего биогаза, вырабатываемого БГУ. В дображивателе выделяется оставшаяся часть биогаза.
Важную роль в обеспечении стабильного количества выделяемого биогаза играет температура жидкости внутри ферментёра и дображивателя. Как правило, процесс протекает в мезофильном режиме с температурой 41-43ᴼС. Поддержание стабильной температуры достигается применением специальных трубчатых нагревателей внутри ферментёров и дображивателей, а также надёжной теплоизоляцией стен и трубопроводов. Биогаз, выходящий из дигестата, имеет повышенное содержание серы. Очистка биогаза от серы производится с помощью специальных бактерий, заселяющих поверхность утеплителя, уложенного на деревянный балочный свод внутри ферментёров и дображивателей.
Накопление биогаза осуществляется в газгольдере, который образуется между поверхностью дигестата и эластичным высокопрочным материалом, покрывающим ферментёр и дображиватель сверху. Материал имеет способность сильно растягиваться (без уменьшения прочности), что накоплении биогаза значительно увеличивает ёмкость газгольдера. Для предохранения переполнения газгольдера и разрыва материала, имеется предохранительный клапан.
Далее биогаз поступает в когенерационную установку. Когенерационная установка (КГУ) является блоком, в котором осуществляется выработка электрической энергии генераторами, привод которых осуществляют газопоршневые двигатели, работающие на биогазе. Когенераторы работающие на биогазе, имеют конструктивные отличия от обычных газогенераторных двигателей, поскольку биогаз является сильно обеднённым топливом. Вырабатываемая генераторами электрическая энергия, обеспечивает питание электрооборудования самой БГУ, а все сверх этого отпускается близлежащим потребителям. Энергия жидкости, идущей на охлаждение когенераторов и является вырабатываемой тепловой энергией за минусом потерь в бойлерных устройствах. Вырабатываемая тепловая энергия, частично идёт на обогрев ферментёров и дображивателей, а оставшаяся часть – также направляется в близ лежащим потребителям. поступает в
Можно установить дополнительное оборудование для очистки биогаза до уровня природного газа, однако это дорогостоящее оборудование и его применяют, только если целью БГУ является не производство тепловой и электрической энергии, а производство топлива для газопоршневых двигателей. Апробированными и наиболее часто применяемыми технологиями очистки биогаза являются водная абсорбция, адсорбция на носителе под давлением, химическое осаждение и мембранное разделение.
Энергетическая эффективность работы БГУ во многом зависит как от выбранной технологии, материалов и конструкции основных сооружений, так и от климатических условий в районе их расположения. Среднее потребление тепловой энергии на подогрев биореакторов в умеренном климатическом поясе равно 15-30% от энергии, вырабатываемой когенераторами (брутто).
Общая энергетическая эффективность биогазового комплекса с ТЭЦ на биогазе составляет в среднем 75-80%. В ситуации, когда всё тепло, получаемое от когенерационной станции при производстве электроэнергии невозможно потребить (распространённая ситуация из-за отсутствия внешних потребителей тепла), оно отводится в атмосферу. В таком случае, энергетическая эффективность биогазовой ТЭС составляет лишь 35% от общей энергии биогаза.
Основные показатели работы биогазовых установок могут существенно различаться, что во многом определяется применяемыми субстратами, принятым технологическим регламентом, эксплуатационной практикой, выполняемыми задачами каждой отдельной установки.
Процесс переработки навоза составляет не более 40 дней. Получаемый в результате переработки дигестат, не имеет запаха и является прекрасным органическим удобрением, в котором достигнута наибольшая степень минерализации питательных веществ, усваиваемых растениями.
Дигестат, как правило, разделяется на жидкую и твёрдую фракции с помощью шнековых сепараторов. Жидкую фракцию направляют в лагуны, где накапливают до периода внесения в почву. Твёрдая фракция также используется в качестве удобрения. Если применить к твёрдой фракции дополнительную сушку, грануляцию и упаковку, то она будет пригодна для длительного хранения и транспортировки на большие расстояния.
Производство и энергетическое использования биогаза имеет целый ряд обоснованных и подтверждённых мировой практикой преимуществ, а именно:
- Возобновляемый источник энергии (ВИЭ). Для производства биогаза используется возобновляемая биомасса.
- Широкий спектр используемого сырья для производства биогаза позволяет строить биогазовые установки фактически повсеместно в районах концентрации сельскохозяйственного производства и технологически связанных с ним отраслей промышленности.
- Универсальность способов энергетического использования биогаза как, для производства электрической и/или тепловой энергии по месту его образования, так и на любом объекте, подключённом к газотранспортной сети (в случае подачи очищенного биогаза в эту сеть), а также в качестве моторного топлива для автомобилей.
- Стабильность производства электроэнергии из биогаза в течение года позволяет покрывать пиковые нагрузки в сети, в том числе и в случае использования нестабильных ВИЭ, например, солнечных и ветровых электростанций.
- Создание рабочих мест за счёт формирования рыночной цепочки от поставщиков биомассы до эксплуатирующего персонала энергетических объектов.
- Снижение негативного воздействия на окружающую среду за счёт переработки и обезвреживания отходов путём контролированного сбраживания в биогазовых реакторах. Биогазовые технологии – один из основных и наиболее рациональных путей обезвреживания органических отходов. Проекты по производству биогаза позволяют сокращать выбросы парниковых газов в атмосферу.
- Агротехнический эффект от применения сброженной в биогазовых реакторах массы на сельскохозяйственных полях проявляется в улучшении структуры почв, регенерации и повышении их плодородия за счёт внесения питательных веществ органического происхождения. Развитие рынка органических удобрений, в том числе из переработанной в биогазовых реакторах массы, в перспективе будет способствовать развитию рынка экологически чистой продукции сельского хозяйства и повышению его конкурентоспособности.
Ориентировочные удельные инвестиционные затраты
БГУ 75 кВтэл. ~ 9.000 €/кВтэл.
БГУ 150 кВтэл. ~ 6.500 €/кВтэл.
БГУ 250 кВтэл. ~ 6.000 €/кВтэл.
БГУ bis 500 кВтэл. ~ 4.500 €/кВтэл.
БГУ 1 МВтэл. ~ 3.500 €/кВтэл.
Выработанная электрическая и тепловая энергия могут обеспечить не только потребности комплекса, но и прилегающей инфраструктуры. Причём сырьё для БГУ бесплатное, что обеспечивает высокую экономическую эффективность после завершения периода окупаемости (4-7 лет). Себестоимость вырабатываемой на БГУ энергии со временем не растёт, а напротив – уменьшается.