Биогазовая установка для частного дома: добываем энергоресурсы своими руками

Правила эксплуатации и безопасности

Постоянная подгрузка очередных партий и выгрузка готовых удобрений, контроль условий брожения, обеспечат правильную работу биогазовой установки.

Специализированные фирмы продают партии ферментирующих органику бактерий для выработки биогаза.

Существуют мезофильные, термофильные и психрофильные бактерии. Полная ферментация органики с участием термофильных бактерий произойдет за 12 дней. Мезофильные бактерии работают медленнее, они переработают сырье за 20 дней.

Биомассу в реакторе нужно перемешивать как минимум два раза в день, иначе на поверхности образуется корка, препятствующая свободному выходу биогаза. В холодное время года реактор следует подогревать, поддерживая оптимальную температуру для наибольшей выработки продукта.

Органическая смесь, загружаемая в реактор не должна содержать антисептиков, моющих средств, химических веществ, вредных для жизнедеятельности бактерий и замедляющих выработку биогаза.

Для правильной работы биореактора необходимо соблюдать те же правила, что и для любых газовых установок. Если оборудование герметично, биогаз своевременно отводится в газгольдер, то проблем не возникнет.

Если же давление газа превысит норму или будет травить при нарушении герметичности, возникает риск взрыва, поэтому рекомендуется установить датчики температуры и давления в реакторе. Вдыхание биогаза также опасно для здоровья человека.

Биореактор

К емкости для переработки навоза предъявляются довольно жесткие требования:

Она должна быть непроницаемой для воды и газов. Водонепроницаемость должна действовать в обе стороны: жидкость из биореактора не должна загрязнять почву, а подземные воды не должны изменять состояние сбраживаемой массы.
Биореактор должен обладать высокой прочностью. Он должен выдерживать массу полужидкого субстрата, давление газа внутри емкости, действующее снаружи давление грунта

В общем, при строительстве биореактора необходимо уделить особое внимание его прочности.

Удобство обслуживания. Более удобные в использовании цилиндрические емкости — горизонтальные или вертикальные

В них перемешивание можно организовать по всему объему, в них не образуется застойных зон. Прямоугольные емкости проще в реализации при строительстве своими руками, но в них в углах часто образуются трещины, там же застаивается субстрат. Перемешивать его по углам очень проблематично. 

Все эти требования по строительству биогазовой установки должны выполняться, так как они обеспечивают безопасность и создают нормальные условия для переработки навоза в биогаз.

Из каких материалов можно сделать

Стойкость к агрессивных средам — это основное требование к материалам, из которых можно сделать емкость. Субстрат в биореакторе может иметь кислую или щелочную реакцию. Соответственно материал, из которого изготавливают емкость, должен хорошо переносить различные среды.

Этим запросам отвечают не так много материалов. Первое что приходит на ум — металл. Он прочен, из него можно сделать емкость любой формы. Что хорошо, что использовать можно готовую емкость — какую-то старую цистерну. В этом случае строительство биогазовой установки займет совсем немного времени. Недостаток металла — он вступает в реакцию с химически активными веществами и начинает разрушаться. Для нейтрализации данного минуса металл покрывается защитным покрытием.

Отличный вариант — емкость биореактора из полимера. Пластик химически нейтрален, не гниет, не ржавеет. Только надо выбирать из таких материалов, которые выносят заморозку и нагрев до достаточно высоких температур. Стенки реактора должны быть толстыми, желательно армированными стекловолокном. Такие емкости недешевы, зато они служат долго.

Построить биореактор для выработки биогаза можно и из кирпича, но его надо хорошо заштукатурить с использованием присадок, обеспечивающих гидро- и газо- непроницаемость

Более дешевый вариант — биогазовая установка с емкостью из кирпича, бетонных блоков, камня. Для того чтобы кладка выдерживала высокие нагрузки, необходимо армирование кладки ( в каждом 3-5 ряду в зависимости от толщины стены и материала).  После завершения процесса возведения стен для обеспечения водо- и газо- непроницаемости необходима последующая многослойная обработка стен как изнутри, так и снаружи. Стены штукатурят цементно-песчаным составом с добавками (присадками), обеспечивающими требуемые свойства.

Определение размеров реактора

Объем реактора зависит от выбранной температуры переработки навоза в биогаз. Чаще всего выбирается мезофильная — ее легче поддерживать и она предполагает возможность ежедневной дозагрузки реактора. Выработка биогаза после выхода на нормальный режим (порядка 2 дней) идет стабильно, без всплесков и провалов (при создании нормальных условий). В этом случае имеет смысл рассчитать объем биогазовой установки в зависимости от количества навоза, образующегося в хозяйстве за сутки. Все легко подсчитывается, исходя из среднестатистических данных.

Разложение навоза при мезофильных температурах идет от 10 до 20 дней. Соответственно, объем рассчитывается умножением на 10 или 20. При расчете необходимо учитывать количество воды, которое необходимо для приведения субстрата к идеальному состоянию — его влажность должна быть 85-90%. Найденный объем увеличивают на 50%, так как максимальная загрузка не должна превышать 2/3 по объему резервуара — под потолком должен скапливаться газ.

Например, в хозяйстве 5 коров, 10 свиней и 40 кур. За сути образуется 5 * 55 кг + 10 * 4,5 кг + 40 * 0,17 кг = 275 кг + 45 кг + 6,8 кг = 326,8 кг. Чтобы привести куриный помет к влажности 85% необходимо добавить чуть больше 5 литров воды (это еще 5 кг). Итого общая масса получается 331,8 кг.  Для переработки за 20 дней необходимо: 331,8 кг * 20 = 6636 кг — около 7 кубов только под субстрат. Найденную цифру умножаем на 1,5  (увеличиваем на 50%), получаем 10,5 куб. Это и будет расчетная величина объема реактора биогазовой установки.

Порядок и условия успешного использования биогазовой установки

Средний удельный выход биогаза

Таким образом, самостоятельно собрать простую биогазовую установку несложно. Однако для ее успешной эксплуатации вы должны запомнить и соблюдать несколько простых правил.

Ряд неорганических веществ также способен привести к ухудшению жизнедеятельности бактерий. Ввиду этого запрещается, к примеру, разбавлять перегной водой, оставшейся после стирки одежды либо мытья машины.

Жителям холодных регионов рекомендуется оснащать свои самодельные биогазовые установки полноценными системами обогрева. Оборудование, подходящее для данных целей, упоминалось ранее.

Таким образом, даже навоз и в принципе практически все, от чего ранее вы старались всеми силами избавляться, может пригодиться в хозяйстве. Нужно лишь правильно соорудить домашнюю биогазовую установку, и уже очень скоро в вашем доме будет тепло. Следуйте полученным рекомендациям, и вам больше не придется тратить колоссальные суммы на отопление.

Удачной работы!

Полезные советы

Напоследок приведём список полезной информации, которая поможет вам избежать дополнительных проблем при создании биогазовой установки:

1. Практика говорит, что для обогрева жилого помещения площадью 50 м2 необходимо затратить газа объёмом 3,5 м3 в час.
2. Нежелательно применять биогаз напрямую для приготовления пищи, потому что могут измениться вкусовые качества.
3. Необходимо избегать попадания в сырьё твёрдых предметов (гаек, болтов и т.п.), потому что оборудование может испортиться.

Чтобы биогаз стабильно горел, он должен соответствовать определённым стандартам:

• содержание метана минимум 65% (оптимальное содержание от 90 до 95%);
• должны отсутствовать водяные пары, водород и углекислый газ;
• нормальное давление при подаче газа 12,5 бар;

В случае, если при скачке давления или по другим причинам газ потухнет, а его подача будет продолжаться, может привести к трагическим последствиям. Поэтому следует использовать современное оборудование с датчиками газового контроля.

Преимущества биогаза

Биогаз экологичен

Биогаз является возобновляемым, а также чистым источником энергии. Газ, получаемый в результате биоразложения, не загрязняет окружающую среду; это фактически уменьшает выбросы парниковых газов (то есть уменьшает парниковый эффект).

В процессе не происходит сгорания, что означает отсутствие выброса парниковых газов в атмосферу; поэтому использование газа из отходов как формы энергии на самом деле является отличным способом борьбы с глобальным потеплением.

Неудивительно, что забота об окружающей среде является основной причиной, по которой использование биогаза стало более распространенным. Биогазовые установки значительно сдерживают парниковый эффект: заводы снижают выбросы метана, улавливая этот вредный газ и используя его в качестве топлива.

Производство биогаза помогает снизить зависимость от использования ископаемого топлива, такого как нефть и уголь.

Другое преимущество биогаза состоит в том, что, в отличие от других видов возобновляемых источников энергии, этот процесс является естественным и не требует энергии для процесса генерации.

Кроме того, сырье, используемое в производстве биогаза, является возобновляемым, поскольку деревья и сельскохозяйственные культуры будут продолжать расти. Навоз, пищевые отходы и растительные остатки — это сырье, которое всегда будет в наличии, что делает его весьма устойчивым вариантом.

Выработка биогаза снижает загрязнение почвы и воды

Переполненные свалки не только распространяют неприятные запахи — они также позволяют токсичным жидкостям стекать в подземные источники воды. Следовательно, еще одно преимущество биогаза заключается в том, что производство биогаза может улучшить качество воды. Кроме того, анаэробное пищеварение дезактивирует патогены и паразитов; таким образом, он также довольно эффективен в снижении заболеваемости болезнями, передаваемыми через воду. Аналогичным образом, сбор и утилизация отходов значительно улучшаются в районах с биогазовыми установками. Это, в свою очередь, приводит к улучшению состояния окружающей среды, санитарии и гигиены.

Биореакор производит органические удобрения

Побочным продуктом процесса генерации биогаза является обогащенный органический (дигестат), который является идеальным дополнением или заменой химических удобрений.

Выброс удобрений из биогазовой установки может ускорить рост растений и устойчивость к болезням, тогда как коммерческие удобрения содержат химические вещества, которые оказывают токсическое воздействие и могут вызывать пищевое отравление, среди прочего.

Это простая и недорогая технология, которая способствует циркулярной экономике

Технология производства биогаза довольно дешевая. Онв проств в настройке и не требует больших вложений в небольших масштабах. Небольшие биодегустаторы можно использовать прямо дома, используя кухонные отходы и навоз.

Бытовая система окупается через некоторое время, а материалы, используемые для генерации газа, абсолютно бесплатны. Проявленный газ может быть использован непосредственно для приготовления пищи и выработки электроэнергии.

Это то, что позволяет себестоимости производства биогаза быть относительно низким.

Фермы могут использовать биогазовые установки и отходы, производимые их домашним скотом каждый день. Отходы одной коровы могут дать достаточно энергии для питания лампочки на целый день.

На больших станциях биогаз также может быть сжат для достижения качества природного газа и использован для питания автомобилей. Строительство таких заводов требует относительно небольших капиталовложений и создает экологичные рабочие места. Например, в Индии было создано 10 миллионов рабочих мест, в основном в сельской местности, на заводах и в сборе органических отходов.

Преимущества процесса

Переработкой навоза для получения биогаза занимались еще в советское время. На сегодняшний день многие страны занимаются данным видом промышленности, так как это выгодно, легко и не представляет опасности для окружающей среды.

Такой альтернативный биогаз не нуждается в трудоемком добывании сырья для производства, процесс его создания относительно дешев, а в окружающую среду не выделяются токсические вещества.

Конечно же, навоз можно использовать просто в качестве удобрения, если в хозяйстве всего несколько коров. Гораздо сложнее приходится крупным фермерам с сотнями голов скота, ведь каждый год им приходится избавляться от нескольких тонн навоза.

Чтобы навоз стал качественным удобрением, его необходимо хранить, соблюдая температурный режим. Но это требует лишних расходов, потому большинство фермеров просто собирают его в определенное место, а потом вывозят на пашни.

При неправильном хранении навоз теряет почти половину находящихся в нем азотистых соединений и большую часть фосфора, потому его показатели становятся гораздо хуже. В атмосферу же непрерывно из навоза выделяется газ метан, что ухудшает экологическую ситуацию.

Новейшие технологии получения биометана позволяют перерабатывать сырье таким образом, что полученный биогаз не имеет токсического эффекта для окружающей среды. Биогаз выделяет при сгорании невероятное количество энергии, а нагретый навоз после его использования становится очень ценным анаэробным удобрением.

Технология получения биологического топлива

Все бактерии, которые принимают участие в образовании биогаза, являются анаэробными, то есть кислород для жизнедеятельности им не нужен. Для этого сооружают полностью герметичные емкости для брожения, отводные трубы которых также не пропускают воздух извне.

После заливки в резервуар сырьевой жидкости и повышения температуры до нужной величины бактерии начинают работу. Начинает выделяться метан, который поднимается с поверхности навозной жижи. Он направляется в специальные подушки или резервуары, после чего фильтруется и попадает в газовые баллоны.

Отработанная бактериями жидкость скапливается на дне, откуда ее периодически откачивают и также отправляют на хранение. После этого в резервуар закачивают новую порцию навоза.

Температурный режим функционирования бактерий

Для переработки навоза в биогаз необходимо создать подходящие условия для работы бактерий. некоторые из них активизируются при температуре выше 30 градусов – мезофильные. При этом процесс идет медленнее и первую продукцию можно получить через 2 недели.

Термофильные бактерии работают при температуре от 50 до 70 градусов. Сроки получения биогаза из навоза сокращаются до 3 дней. При этом отходы представляют собой ферментированный шлам, который используют на полях в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур. В шламе отсутствуют патогенные микроорганизмы, гельминты и сорняки, так как они погибают при воздействии высоких температур.

Есть особый вид термофильных бактерий, которые способны выжить в среде, нагретой до 90 градусов. Их добавляют в сырье, чтобы ускорить процесс брожения.

Понижение температуры ведет к снижению активности термофильных или мезофильных бактерий. В частных хозяйствах чаще используют мезофиллы, так как для них не нужно специально подогревать жидкость и производство газа обходится дешевле. Впоследствии, когда будет получена первая партия газа, его можно использовать для подогрева реактора с термофильными микроорганизмами.

Как подготовить сырье для заливки в реактор

Для производства биогаза из навоза не нужно специально подсаживать микроорганизмы в жидкость, потому что они уже находятся в экскрементах животных. Нужно лишь поддерживать температурный режим и вовремя подливать новый раствор навоза. Его необходимо правильно готовить.

Влажность раствора должна быть 90% (консистенция жидкой сметаны), поэтому сухие виды экскрементов для начала заливаются водой – кроличий помет, конский, овечий, козий. Свиной навоз в чистом виде не нуждается в разбавлении, так как содержит много мочи.

Следующий этап – разбить твердые частицы навоза. Чем мельче будет фракция, тем лучше бактерии переработают смесь и тем больше газа получится на выходе. Для этого в установках применяют мешалку, постоянно работающую. Она снижает риск образования твердой корки на поверхности жидкости.

Для производства биогаза подходят те виды навоза, которые имеют самую высокую кислотность. Их еще называют холодными – свиной и коровий. Снижение кислотности приостанавливает деятельность микроорганизмов, поэтому необходимо следить в начале, сколько времени необходимо, чтобы они полностью переработали объем резервуара. Затем долить следующую дозу.

Технология очистки газа

При переработке навоза в биогаз получается:

• 70% метана;
• 30% углекислого газа;
• 1% примесей сероводорода и других летучих соединений.

Высокое содержание углекислоты также требует очистки, но этот процесс более трудоемкий. В домашних условиях самым простым и дешевым способом очистки биогаза от примесей является вода. Процесс происходит в 2 этапа:

• Полученный газ сжимается под давлением 9 – 11 атмосфер.
• Подается в резервуар с водой, где примеси растворяются в жидкости.

В промышленных масштабах для очистки применяют известь или активированный уголь, а также специальные фильтры.

Как уменьшить содержание влаги

Самостоятельно избавиться от примесей воды в газе можно несколькими способами. Один из них – принцип самогонного аппарата. По холодной трубе газ направляется вверх. Жидкость при этом конденсируется и стекает вниз. Для этого трубу проводят под землей, где температура естественным образом снижается. По мере подъема, температура также поднимается, и осушенный газ попадает в хранилище.

Второй вариант – гидрозатвор. После выхода газ поступает в емкость с водой и там очищается от примесей. Такой метод называется одноэтапным, когда с помощью воды биогаз чистят сразу от всех летучих веществ и влаги.

Принцип гидрозатвора

Загрузка и выгрузка

Люки загрузки и разгрузки ведут непосредственно в емкость биореактора. Для того чтобы субстрат равномерно распределялся по всей площади, делают их в противоположных концах емкости.

Схема биогазового реактора без пологрева

При заглубленном способе установки биогазовой установки, загрузочные и разгрузочные трубы подходят к корпусу под острым углом. Причем нижний конец трубы должен находится ниже уровня жидкости в реакторе. Таким образом исключается попадание воздуха в емкость. Также на трубах ставят поворотные или отсечные задвижки, которые в нормальном положении закрыты. Открываются они только на время загрузки или выгрузки.

Так как в навозе могут содержаться крупные фрагменты (элементы подстилки, стебли травы и т.д.), трубы малого диаметра будут часто забиваться. Потому для загрузки-выгрузки они должны быть диаметром 20-30 см. Монтировать их необходимо до начала работ по утеплению биогазовой установки, но после того, как емкость установлена на место.

Формы биореакторов и варианты расположения люков загрузки и разгрузки

Наиболее удобный режим работы биогазовой установки — с регулярной загрузкой и выгрузкой субстрата. Данная операция может проводится раз в сутки или раз в двое суток. Навоз и другие компоненты предварительно собираются в накопительной емкости, где доводятся до требуемого состояний — измельчаются, при необходимости увлажняются и перемешиваются. Для удобства в данной емкости может быть механическая мешалка. Подготовленный субстрат выливается в приемный люк. Если расположить приемную емкость на солнце, субстрат будет предварительно нагреваться, что уменьшит затраты на поддержание требуемой температуры.

Глубину установки приемного бункера желательно рассчитать так, чтобы отходы стекали в него самотеком. То же касается выгрузки в биореактор. Лучший случай, если подготовленный субстрат будет двигаться самотеком. А отгораживать его на время подготовки будет заслонка.

Биогазовая установка с мешалкой и подогревом

Для обеспечения герметичности биогазовой установки, люки на приемном бункере и в зоне выгрузки должны иметь герметизирующий резиновый уплотнитель. Чем меньше будет в емкости воздуха, тем чище будет газ на выходе.

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

Количество биогаза, которое можно получить из различного сырья

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.

В таблице указаны составы, повышающие количество выделяющегося газа

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.

Сравнение биогаза с другими источниками энергии

При сравнении производства биогаза, служащего топливом для получения различных видов энергии, с другими видами получения альтернативной энергии, как то, солнечные электростанции и ветровые генераторы, то видно, что данные установки, обладают одним преимуществом, это способность работать, вне зависимости от внешних факторов (погода, сезонность и т.д.) в круглосуточном и круглогодичном циклах.
Еще один аспект использования биогазовых установок, как то, возможность использовать в полном объеме установленную мощность агрегатов, сопоставляет их с традиционными устройствами получения энергии (нефть, газ и т.д.) и гарантирует их использование в ближайшей и долгосрочной перспективах.

Внутренняя энергия 1,0 м3 биогаза, сопоставима с:

1. 0,6 м3 природного газа;
2. 0,74 л нефти;
3. 0,65 л дизельного топлива;
4. 0,48 л бензина.

При сжигании 1,0 м3 биогаза выделяется 9,0 кВт тепловой энергии, что позволяет произвести до 1,5 кВт электрической энергии или обогреть помещение площадью до 80,0 м2 в течение нескольких часов.

Характеристики горючести биогаза и прочих горючих газов несколько разняться, для сравнения они приведены в ниже следующей таблице:

Биогаз – это альтернативный вид топлива, постепенно завоевывающий рынок возобновляемых источников энергии в разных странах и на разных континентах нашей планеты.