Технология производства биогаза.

В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения навоза или птичьего помета и других органических веществ в анаэробных условиях (без доступа воздуха). При этом под воздействием особой группы анаэробных бактерий, происходят процессы сопровождающиеся минерализацией азотсодержащих, фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Емкость, в которой происходит процесс сбраживания, называется "метантенком", или "реактором". При соблюдении оптимального температурного режима брожения, постоянном перемешивании сырья, своевременной загрузке исходного и выгрузке сброженного материала выход биогаза достигает 2-3 м3 с 1 м3 реактора, а при использовании птичьего помета - 6 м3. Можно привести и более доступный для понимания расчет: одна корова способна обеспечить получение 2,5м3 газа в сутки, бык на откорме - 1,6 м3, свинья - 0,3 м3, птица - 0,02 м3.

В метантенке, под действием имеющихся в биомассе бактерий часть органических веществ разлагается с образованием метана (60-70%), углекислого газа (30-40%), небольшого количества сероводорода (0-3%), а также примесей водорода, аммиака и окислов азота. Биогаз не имеет неприятного запаха. Теплота сгорания его кубометра достигает 25 МДж, что эквивалентно сгоранию 0,6 л бензина, 0,85 л спирта, 1,7 кг дров или использованию 1,4 кВт*ч электроэнергии. Кроме энергетической, процесс биоконверсии позволяет решать еще одну задачу. Использование сброженного навоза в земледелии способствует получению на 10-15% большей урожайности сельскохозяйственных культур, чем, если бы использовался обычный навоз. Объясняется это тем, что при анаэробной переработке происходит минерализация и связывание азота.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОИЗВОДСТВО БИОГАЗА

Поскольку разложение органических отходов происходит за счет деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды, позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до –20о С.

Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90-94 %). Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий: например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков.

Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п. В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на 3 фракции. Верхняя – корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментатора скапливается жидкость, а нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок.

Бактерии наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать – хотя бы один раз в сутки, а желательно – до шести раз. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных методов самоперемешивания.

УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

В Румынии генераторы биогаза получили широкое распространение. Одна из первых индивидуальных установок (рис. 1А) была введена в эксплуатацию еще в декабре 1982 года. С тех пор она успешно обеспечивает газом 3 соседствующие семьи, имеющие каждая по обычной газовой плите с тремя конфорками и духовкой.

Ферментатор находится в яме диаметром около 4 м и глубиной 2 м (объем примерно 25 м3), выложенной изнутри кровельным железом, сваренным дважды: сначала электрической сваркой, а затем, для надежности, газовой. Для антикоррозионной защиты внутренняя поверхность резервуара покрыта смолой. Снаружи верхней кромки ферментатора сделана кольцевая канавка из бетона глубиной примерно 1 м, выполняющая функцию гидрозатвора; в этой канавке, заполненной водой, скользит вертикальная часть колокола, закрывающего резервуар. Колокол высотой около 2,5 м – из листовой двухмиллиметровой стали. В верхней его части и собирается газ.

Автор этого проекта выбрал вариант собирания газа в отличие от других установок с помощью трубы, находящейся внутри ферментатора и имеющей 3 подземных ответвления – к трем хозяйствам. Кроме того, вода в канавке гидрозатвора проточная, что предотвращает обледенение в зимнее время.

Ферментатор загружается примерно 12 м3 свежего навоза, поверх которого выливается коровья моча (без добавления воды). Генератор начинает работать через 7 дней после наполнения.

Похожую компоновку имеет еще одна установка (рис. 1Б). Ее ферментатор сделан в яме, имеющей квадратное поперечное сечение размерами 2х2 м. Яма облицована железобетонными плитами толщиной 10-12 см, оштукатурена цементом и покрыта для герметичности смолой. Канавка гидрозатвора глубиной около 50 см также бетонная, колокол сварен из кровельного железа и может на четырех «ушках» свободно скользить по четырем вертикальным направляющим, установленным на бетонном резервуаре. Высота колокола примерно 3 м, из которых 0,5 м погружено в канавку.

При первом наполнении в ферментатор было загружено 8 м2 свежего коровьего навоза, а сверху залито примерно 400 л коровьей мочи. Через 7-8 дней установка уже полностью обеспечивала владельцев газом.

Аналогичную конструкцию имеет и генератор биогаза, рассчитанный на прием 6 м3 смешанного навоза (от коров, овец и свиней). Этого оказалось достаточно, чтобы обеспечить нормальную работу газовой плиты с тремя конфорками и духовкой.

Еще одна установка отличается любопытной конструктивной деталью: рядом с ферментатором уложены присоединенные к нему с помощью Т-образного шланга три большие тракторные камеры, соединенные и между собой. В ночное время, когда биогаз не используется и накапливается под колоколом, возникает опасность, что последний под действием избыточного давления опрокинется. Резиновый резервуар служит дополнительной емкостью (рис. 2). Ферментатора размером 2х2х1,5 м вполне достаточно для работы двух горелок, а при увеличении полезного объема установки до 1 м3 можно получить количество биогаза достаточное и для обогрева жилища. Особенность этого варианта установки – устройство колокола ? 138 см и высотой 150 см из прорезиненного полотна, применяемого для изготовления надувных лодок. Ферментатор представляет собой металлический резервуар ? 140х300 см и имеет объем 4,7 м3. Колокол вводится в находящийся в ферментаторе навоз на глубину не менее 30 см для обеспечения гидравлического заслона выходу биогаза в атмосферу. В верхней части разбухающего резервуара предусмотрен кран, соединенный со шлангом; по нему газ поступает к газовой плите с тремя конфорками и колонке для нагрева воды. Чтобы обеспечить оптимальные условия для работы ферментатора, навоз смешивается с горячей водой. Наилучшие результаты установка показала при влажности сырья 90 % и температуре 30-35о.

Для обогрева ферментатора используется и эффект теплицы. Над емкостью сооружается металлический каркас, который покрывают полиэтиленовой пленкой: при неблагоприятных погодных условиях она сохраняет тепло и позволяет заметно ускорить процесс разложения сырья.

В Румынии генераторы биогаза используются и в государственных или кооперативных хозяйствах. Вот один из них. Он имеет два ферментатора емкостью по 200 м3 , закрытых каркасом с полиэтиленовой пленкой (рис. 3). Зимой навоз обогревается горячей водой. Производительность установки составляет 300-480 м3 газа в день. Такого количества вполне хватает для обеспечения всех потребностей местного агропромышленного комплекса.

ПРАКТИЧЕСКИЕ СОВЕТЫ

Как уже отмечалось, решающую роль в развитии процесса ферментации играет температура: нагрев сырья с 15о до 20о может вдвое увеличить производство энергоносителя. Поэтому часть генераторов имеет специальную систему подогрева сырья, однако большинство установок не оборудовано ею; они используют лишь тепло, выделяемое в процессе самого разложения органических веществ. Одним из важнейших условий нормальной работы ферментатора является наличие надежной теплоизоляции. Кроме того, необходимо свести к минимуму потери тепла при очистке и наполнении бункера ферментатора.

Нужно помнить также о необходимости обеспечения биохимического равновесия. Иногда темпы производства бактериями кислот выше, чем темпы их потребления бактериями второй группы. В этом случае кислотность массы растет, а выработка биогаза снижается. Положение может быть исправлено либо уменьшением ежедневной порции сырья, либо увеличением его растворимости (по возможности, горячей водой), либо, наконец, добавкой нейтрализующего вещества – например, известкового молока, стиральной или питьевой соды.

Производство биогаза может уменьшиться за счет нарушения соотношения между углеродом и азотом. В этом случае в ферментатор вводят вещества, содержащие азот, - мочу или в небольшом количестве соли аммония, используемые обычно в качестве химических удобрений (50-100 г на 1 м3 сырья).

Следует помнить, что высокая влажность и наличие сероводорода (содержание которого в биогазе может достигать 0,5 %) стимулируют повышенную коррозию металлических частей установки. Поэтому состояние всех остальных элементов ферментатора следует регулярно контролировать и в местах повреждений тщательно защищать: лучше всего свинцовым суриком – в один или два слоя, а затем еще двумя слоями любой масляной краски.

В качестве трубопровода для транспортировки биогаза от выпускного патрубка в верхней части колокола установки до потребителя могут использоваться как трубы (металлические или пластмассовые), так и резиновые шланги. Их желательно вести в глубокой траншее, чтобы исключить разрывы из-за замерзания зимой конденсировавшейся воды. Если же транспортировка газа с помощью шланга осуществляется по воздуху, то для отвода конденсата необходимо специальное устройство. Самая простая схема такого приспособления представляет собой U-образную трубку, присоединенную к шлангу в самой нижней его точке (рис. 4). Длина свободной ветви трубки (х) должна быть больше, чем выраженное в миллиметрах водяного столба давление биогаза. По мере того, как в трубку стекает конденсат из трубопровода, вода выливается через ее свободный конец без утечки газа.

В верхней части колокола целесообразно также предусмотреть патрубок для установки манометра, чтобы по величине давления судить о количестве накопленного биогаза.

Опыт эксплуатации установок показал, что использование в качестве сырья смеси разных органических веществ дает больше биогаза, чем при загрузке ферментатора одним из компонентов. Влажность сырья рекомендуется немного уменьшать зимой (до 88-90%) и повышать летом (до 92-94 %). Вода, которую используют для разбавления, должна быть теплой (желательно 35-40о). Сырье подается порциями, по крайней мере, один раз в сутки. После первой загрузки ферментатора нередко сначала вырабатывается биогаз, который содержит более 60% углекислого газа и поэтому не горит. Этот газ удаляют в атмосферу, и через 1-3 дня установка начнет функционировать нормально.

В ЭКОДОМЕ – БИОГАЗ

Приготовить пищу, подогреть воду и отопить жилище теперь в двух хозяйствах Караганды можно с помощью биогаза. Биогаз – тот же метан, вот только полученный в «домашних условиях».

Общественное объединение «Экологический музей» города Караганды приступило к строительству уже третьей биогазовой установки. Под помещением для скота вырывается яма, которая выкладывается кирпичом и наполняется навозом (можно использовать солому бобовых, томатную и картофельную ботву). Биомассе дают настояться в условиях отсутствия кислорода. Тут-то и включаются в работу бактерии, образующие непосредственно сам метан.

Эта способность метанобразующих бактерий была известна в Китае еще до нашей эры. Не зная ничего о самом процессе, китайцы производили биогаз, и сжигали его для домашних нужд. В настоящее же время процессом «метанового брожения» заинтересовались многие ученые, стали проводиться исследования, направленные на повышение эффективности работы биогазовой установки и доступности этого способа получения биогаза.

Переработка органических отходов сельского хозяйства в биогазовых установках имеет еще два «экологических плюса». Во-первых, катастрофа глобального потепления отодвигается на более поздние сроки, так как при разложении органических компонентов навоза выделяются углекислый газ и газ метан, которые являются причиной парникового эффекта. Во-вторых, уменьшается загрязнение подземных вод и поверхностных водоемов аммонийными соединениями. После того, как бактерии из навозной жижи в биогазовой установке извлекли все необходимое для производства метана, экс-навоз можно сливать в водоемы – его состав полностью отвечает самым жестким в мире СССР-овским стандартам для сточных вод.

Именно поэтому целью проекта «Биогаз» является внедрение биогазовых установок в селах, расположенных по берегам Нуры: благодаря производству биогаза, Нура защищена от нитратов и нитритов, отходов сельского хозяйства, обычно сваливаемых и сливаемых в реку.

Если производство биогазовых установок поставить на поток, то на строительство маленькой установки (6 кубических метров) будет уходить 2 недели, большой (30 кубических метров) – 1-1,5 месяца.

«ЭкоМузей» заключил договор с совхозом «КарНИСИ» о «кустовом» (одновременно несколько) строительстве биогазовых установок. Это намного ускорит процесс – за месяц можно будет создавать 3-4 установки. Устанавливаться они будут бесплатно, от фермеров только требуется помощь строительными материалами – доски, металлические трубы, старый кирпич – и трудом.

Биогаз – это здоровье в вашем доме. В результате утилизации навоза в биогазовых установках, а не складирования его на приусадебных участках, падает уровень заражения среды болезнетворными бактериями. Исчезают неприятные запахи от разложения биоотходов и мухи, личинки которых выводятся в навозе.

Биогаз – это чистота вашей кухни. Пламя от горения газа не коптит и не содержит вредных смол и химических соединений, поэтому кухня и посуда не пачкаются копотью. Снижается риск респираторных и глазных заболеваний, связанных с дымом.

Биогаз – это источник плодородия вашего огорода. Из нитритов и нитратов, содержащихся в навозе и отравляющих ваш урожай, получается чистый азот, который так необходим растениям. При переработке навоза в установке погибают семена сорняков, и при удобрении огорода метановым флюентом (переработанным в установке навозом и органическими отходами) у вас будет уходить гораздо меньше времени на прополку.

Биогаз – доходы из отходов. Пищевые отходы и навоз, которые скапливаются в хозяйстве, являются бесплатным сырьем для биогазовой установки. После переработки мусора вы получаете горючий газ, а также высококачественные удобрения (гуминовые кислоты), являющиеся основными составляющими чернозема.

Биогаз – это независимость. Вы не будете зависеть от поставщиков угля и газа. А еще экономите деньги на этих видах топлива.

Биогаз – это возобновляемый источник энергии. Метан можно использовать для нужд крестьянских и фермерских хозяйств:

o для приготовления пищи;

o для подогрева воды;

o для отопления жилищ (при достаточных количествах исходного сырья – биоотходов).

Производительность биогазовой установки зависит не только от вида отходов, но и от объема перерабатываемой массы. Наиболее выгодны установки большого объема. Но для домашнего хозяйства достаточно установки с объемом реактора в 4 кубических метра.

Итак, если в хозяйстве есть 3 коровы (свиньи, козы, овцы, лошади) и более, есть повод задуматься о монтаже биогазовой установки!

Сколько же можно получить газа из одного килограмма навоза? Исходя из того, что на кипячение одного литра воды расходуется 26 литров газа:

o с помощью одного килограмма навоза крупного рогатого скота можно вскипятить 7,5-15 литров воды;

o с помощью одного килограмма навоза свиней – 19 литров воды;

o с помощью одного килограмма птичьего помета – 11,5-23 литра воды;

o с помощью одного килограмма соломы зернобобовых можно вскипятить 11,5 литров воды;

o с помощью одного килограмма картофельной ботвы – 17 литров воды;

o с помощью одного килограмма ботвы томатов – 27 литров воды.

Неоспоримое преимущество биогаза – в децентрализованном производстве электроэнергии и тепла.

В настоящее время биогазовая установка, спроектированная и собранная одним из авторов этой статьи, успешно работает в колхозе Мичурина Алматинской области и не требует никаких лишних затрат. Вся техническая документация и чертежи разработаны автором проекта «Биогаз» Леонидом Плохотниковым и могут быть высланы по Вашему запросу.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биогаз: и греет, и варит. Журнал «Моделист-конструктор», 1987, № 1, с. 10-11.

2. Выбирая будущее. Новые методики экологического образования. Изд. ЭкоОбраз. Караганда, 2001 г.

3. Сабитов Р. Отчет по проекту «Оценка потребностей местных сообществ» в Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды. Август, 2001 г.

4. Тодорова Н. “Энергия... из мусорной кучи?” Газета «Казахстанская правда» № 192 от 16 августа 2001 г.

5. Тонкобаева Л. В этом доме – биогаз. Молодежный эколого-правовой журнал «Я и Земля», № 7(17), ноябрь, 2001 г., с. 4-5.

Светлана Баскакова – член НПО "Дикая природа",

Леонид Плохотников – энергетик, член ОО "Надежда", специально для «Спектра Развития»

АО "Кунтуу"
БЭМС-120, Сокулукский район
Завершена осенью 2004
1. Объем реактора, м3 – 120
2. Пропускная способность по навозу, т/сутки – 8-16
3. Пропускная способность по навозу, т/год – 2800-5600
4. Производительность по биогазу, м3/сутки – 120-360
5. Производительность по биогазу, м3/год – 43000-86000
6. Установленная мощность, кВт – 7
Смонтирован на базе консервного завода АО "Кунтуу" и состоит из двух реакторов объемом 60 м3 каждый и газгольдера. Для реакторов использованы железнодорожные цистерны.

Перерабатывает отходы КРС завода. Метановый эффлюент используется как удобрение на собственной пашне и пашне прилегающих крестьянских хозяйств. Биогаз планируется использовать на технологической линии консервного завода.