Биологическим газом (биогазом) называют вещество, которое состоит из углекислого газа (40 %) и метана (60 %). Его аналогами считаются болотный газ, шахтный, канализационный и метан.

Если брать в качестве примера навоз, то если на предприятии за сутки образуется тонна данного биологического отхода, из такого количества материала можно получить примерно 50 м 3 газа, или 100 кВт электрической энергии, или же 35 литров дизельного топлива. Оборудование для производства биогаза окупается за два-три года, а при использовании других видов сырья срок может быть еще меньше – около полутора лет.

Выгода от биогазовой установки

Установка для производства биогаза принесет предприятию не только денежную прибыль. Есть в ее использовании и косвенные выгоды. Например, она обойдется гораздо дешевле, чем протяжка линии электропередач, газопровода, создание лагун или резервных дизель-генераторов.

Биогазовые установки являются современными биореакторными комплексами. Они работают с минимальными затратами и высокой эффективностью. В основном оборудование для производства биогаза устанавливается на базе животноводческих предприятий, комплексов по переработке сельскохозяйственной продукции и прочих отходов.

Предназначение биогазовой установки

Как правило, установки для производства биогаза применяются при переработке отходов пищевой промышленности и сельского хозяйства. Благодаря такому оборудованию получается не только использовать утильсырье, но и улучшить экологическую обстановку в производственных и перерабатывающих зонах.

Кроме того, обеспечивается дополнительный источник получения энергетических ресурсов. По сути, оборудование для производства биогаза сокращает цикл круговорота веществ во много раз, с нескольких лет до нескольких недель.

Компоненты, которые должна включать биогазовая установка

1. Емкость гомогенизации.
2. Реактор.
3. Загрузчик сырья: твердого или жидкого.
4. Газгольдер.
5. Мешалки.
6. Система соединения топлива и воды.
7. Газовая система.
8. Сепаратор.
9. Насосная станция.
10. Контролирующие устройства.
11. КИПиА с возможностью визуализации.
12. Система безопасности.

В реактор с помощью загрузчика или насосной станции периодически подаются сырьевые отходы. Реактор – это железобетонный резервуар, утепленный и подогреваемый, оснащенный миксерами. В нем находятся полезные бактерии, которые питаются отходами и вырабатывают в процессе своей жизнедеятельности биогаз.

Чтобы бактерии постоянно были жизнеспособными, им необходимо подавать корм – утильсырье, обеспечивать температуру не выше 35 градусов и время от времени помешивать. Газ, образующийся в процессе, скапливается в специальном хранилище (газгольдере), а потом после прохождения через систему очистки подается в конечную точку, к котлу или электрогенератору. Реактор полностью герметичен и безопасен.

Использование биогаза

Биогаз применяют в качестве топлива для выработки тепла, пара, электроэнергии или для заправки автомобилей. Оборудование для производства биогаза может быть установлено и как очистное сооружение на птицефабриках, фермах, мясокомбинатах, спиртовых и сахарных заводах.

Для новых предприятий использование такой установки существенно снизит стартовые расходы, так как можно будет не тратиться на прокладывание линии электропередач, газопровода, не устанавливать дизельные генераторы и не строить резервуары для хранения отходов. В итоге капитальные затраты снижаются примерно на 30-40 % от стоимости оборудования для производства биогаза.

Вопросами, как сократить расходы на отопление жилища, приготовление пищи и электроснабжение, озабочены многие владельцы домохозяйств. Некоторые из них уже соорудили своими руками биогазовые установки и частично или полностью обособились от поставщиков энергоресурсов. Оказывается, получить почти дармовое топливо в условиях частного домохозяйства не представляет большой сложности.

Что такое биогаз и как его можно использовать?

Владельцам приусадебных хозяйств известно: сложив в кучу любое растительное сырье, птичий помет и навоз, через время можно получить ценное органическое удобрение. Но немногие из них знают, что биомасса разлагается не сама по себе, а под воздействием различных бактерий.

Перерабатывая биологический субстрат, эти крошечные микроорганизмы выделяют продукты жизнедеятельности, в том числе – газовую смесь. Большую часть ее (около 70%) составляет метан – тот самый газ, что горит в горелках бытовых плит и обогревательных котлов.

Идея использовать такое экотопливо для различных хозяйственных нужд не нова. Устройства по его добыче использовали еще в древнем Китае. Возможностью использовать биогаз занимались и советские новаторы в 60-х годах прошлого столетия. Но настоящее возрождение технология пережила в начале двухтысячных. На данный момент биогазовые установки активно используют в Европе и США для отопления домов и прочих нужд.

Как работает биогазовая установка?

Принцип работы устройства по выработке биогаза достаточно прост:

• в герметичную емкость загружают разбавленную водой биомассу, где она начинает «бродить» и выделять газы;
• содержимое резервуара регулярно обновляют – сливают переработанное бактериями сырье и добавляют свежее (в среднем около 5-10% ежедневно);
• скопившийся в верхней части резервуара газ по специальной трубке поступает на газосборник, а затем – на бытовые приборы.

Схема биогазовой установки.

Какое сырье подходит для биореактора?

Установки для получения биогаза рентабельны только там, где есть ежедневное пополнение свежей органики – навоза или помета домашнего скота и птицы. Также в биореактор можно подмешивать измельченную траву, ботву, листву и бытовые отходы (в частности, очистки от овощей).

Эффективность установки во многом зависит от типа загружаемого сырья. Доказано, что при одинаковой массе самый большой выход биогаза получается из свиного навоза и индюшиного помета. В свою очередь, экскременты коров и силосные отходы дают меньшее количество газа при такой же загрузке.

Использование биосырья для отопления дома.

Что нельзя использовать в биогазовой установке?

Существуют факторы, которые могут существенно снизить активность анаэробных бактерий, а то и вовсе приостановить процесс выработки биогаза. Нельзя допускать, чтобы внутрь резервуара попадало сырье с содержанием:

• антибиотиков;
• плесени;
• синтетических моющих средств, растворителей и прочей «химии»;
• смол (в том числе опилки хвойных деревьев).

Малоэффективно использовать уже гниющий навоз – загрузке подлежат только свежие или предварительно просушенные отходы. Также нельзя допускать переувлажнения сырья – показатель в 95% уже считается критическим. Впрочем, небольшое количество чистой воды в биомассу добавлять все же нужно – для того, чтобы облегчить ее загрузку и ускорить процесс брожения. Разводят навоз и отходы до консистенции негустой манной каши.

Биогазовая установка для дома

Сегодня промышленность уже выпускает установки для получения биогаза в промышленных масштабах. Их приобретение и монтаж обходится дорого, окупается такое оборудование в частных домохозяйствах не раньше, чем через 7-10 лет при условии, что для переработки будут использоваться большие объемы органики. Опыт показывает, что при желании небольшую биогазовую установку для частного дома мастеровитый хозяин может соорудить своими руками, причем из самых доступных материалов.

Готовим перерабатывающий бункер

В первую очередь понадобится герметично закрывающаяся емкость цилиндрической формы. Можно, конечно, использовать большие кастрюли или выварки, но их малый объем не позволить добиться достаточной выработки газа. Поэтому в этих целях используют чаще всего пластиковые бочки объемом от 1 м³ до 10 м³.

Изготовить такую можно самостоятельно. В продаже имеются листы из ПВХ, при достаточной прочности и стойкости к агрессивным средам они легко свариваются в конструкции нужной конфигурации. В качестве бункера можно использовать и металлическую бочку достаточного объема. Правда, придется провести антикоррозийные мероприятия – покрыть ее изнутри и снаружи устойчивой к воздействию влаги краской. Если резервуар сделан из нержавейки, этого делать не нужно.

Система отвода газа

Патрубок для отвода газа монтируют в верхней части бочки (как правило, в крышке) – именно там он скапливается, согласно законам физики. По подключенной трубе биогаз подается на гидрозатвор, далее – на накопитель (как вариант – с помощью компрессора в баллон) и к бытовым приборам. Рядом с газоотводом рекомендуется также вмонтировать спусковой клапан – если давление внутри резервуара станет слишком высоким, он выпустит лишний газ.

Система подачи и выгрузки сырья

Чтобы обеспечить непрерывное производство газовой смеси, бактерий в субстрате нужно постоянно (ежедневно) «подкармливать», то есть добавлять свежий навоз или другую органику. В свою очередь, уже переработанное сырье из бункера необходимо удалять, чтобы оно не занимало полезное место в биореакторе.

Для этого в бочке проделываются два отверстия – одно (для выгрузки) практически около дна, другое (для загрузки) повыше. В них ввариваются (впаиваются, вклеиваются) трубы диаметром не менее 300 мм. Загрузочный трубопровод направляют вверх и оборудуют воронкой, а слив обустраивают так, чтобы удобно было собирать переработанную жижу (ее впоследствии можно использовать как удобрение). Места стыков герметизируют.

Система подогрева

Теплоизоляция бункера.

Если биореактор будет установлен на улице или в неотапливаемом помещении (что необходимо по технике безопасности), то ему необходимо обеспечить теплоизоляцию и подогрев субстрата. Первое условие достигается путем «укутывания» бочки любым утепляющим материалом или углублением в землю.

Что же касается подогрева, то здесь можно рассматривать самые разные варианты. Одни умельцы заводят внутрь трубы, по которым циркулирует вода из отопительной системы и монтируют их вдоль стенок бочки в виде змеевика. Другие помещают реактор в больший по объему резервуар с водой внутри, подогреваемой электротенами. Первый вариант удобнее и гораздо экономичнее.

Для оптимизации работы реактора необходимо поддерживать температуру его содержимого на определенном уровне (не менее 38⁰C). Но если она поднимется выше 55⁰C, то газообразующие бактерии просто-напросто «сварятся», и процесс ферментации остановится.

Система перемешивания

Как показывает практика, в конструкциях ручная мешалка любой конфигурации значительно повышает эффективность биореактора. Ось, к которой приварены (прикручены) лопасти «миксера», выводится через крышку бочки. На нее в дальнейшем надевается ручка-ворот, отверстие тщательно герметизируется. Впрочем, такими приспособлениями домашние мастера обустраивают ферментаторы не всегда.

Получение биогаза

После того, как установка будет готова, в нее загружают биомассу, разведенную водой в соотношении примерно 2:3. Крупные отходы при этом должны быть измельчены – максимальный размер фракции не должен превышать 10 мм. Далее крышка закрывается – остается ждать, когда смесь начнет «бродить» и выделять биогаз. При оптимальных условиях первое поступление горючего наблюдается спустя несколько дней после загрузки.

О том, что газ «пошел», можно судить по характерному бульканью в водяном затворе. В это же время бочку стоит проверить на герметичность. Делается это с помощью обычного мыльного раствора – его наносят на все стыки и наблюдают, не появились ли пузыри.

Первое обновление биосырья нужно провести примерно через две недели. После того, как в воронку будет залита биомасса, из отводной трубы выльется такой же объем отработанной органики. Далее такую процедуру выполняют ежедневно или раз в два дня.

На сколько хватает полученного биогаза?

В условиях небольшого хозяйства биогазовая установка не станет абсолютной альтернативой природному газу и прочим доступным источникам энергии. Например, с помощью устройства емкостью 1 м³ можно получить топлива только на пару часов приготовления пищи для небольшой семьи.

А вот биореактором в 5 м³ уже можно отопить помещение площадью 50 м², но его работу нужно будет поддерживать ежедневной загрузкой сырья массой не менее 300 кг. Для этого необходимо иметь в хозяйстве примерно десять свиней, пять коров и пару десятков кур.

Мастера, у которых получилось самостоятельно смастерить действующие биогазовые установки, делятся видео с мастер-классами на просторах интернета:

Особенности переработки органических отходов в приусадебных биоустановках. Переработка органических отходов без доступа кислорода - высокоэффективный способ получения качественных органических удобрений и экологически чистого энергоносителя, которым является биогаз. Причем такой способ переработки отходов - абсолютно безопасный для окружающей среды.

Биогаз - это газ, который приблизительно на 60 % состоит из метана и на 40 % из углекислого газа (СО 2). Разнообразные виды микроорганизмов метаболизируют углерод из органических субстратов в безкислородных условиях (анаэробный) (табл.4).

Это процесс так называемого гниения или безкислородного брожения.

Метановое сбраживание - это сложный анаэробный процесс (без доступа воздуха), который происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов и сопровождается рядом биохимических реакций. Температура сбраживания составляет 35 °С (мезофильный процесс) или 50°С (термофильный процесс). Этот метод стоит оценивать как локальное природоохранное мероприятие, которое в то же время улучшает и энергетический баланс хозяйства, поскольку при этом можно организовать малоотходное энергосберегающее хозяйство.

Во время переработки жидкого навоза влажностью до 90-91 % в установке метанового сбраживания получают три первичных продукта: обезвоженный шлам, биогаз, жидкие стоки. Обезвоженный шлам не имеет запаха, не содержит патогенной микрофлоры, всхожесть семян сорняков сведено к нулю. В целом обезвоженный шлам - это высококонцентрированное обеззараженное дезодорированное органическое удобрение, пригодное для непосредственного внесения в грунт. Он используется и как сырье для производства биогумуса. Метановое сбраживание позволяет повысить качество субстрата. Это происходит за счет того, что во время метанового брожения без доступа кислорода аммиачный азот переходит в аммонийную форму, что в дальнейшем, в процессе аэробной ферментации, обеспечивает уменьшение потерь азота. Полученный на основе сброженного навоза и помета субстрат способствует увеличению урожайности сельскохозяйственных культур на 15-40 %.

С 1920 года биогаз широкомасштабно получали из канализационных сточных вод. В европейских городах с 1937 года городские парки грузовиков начали переоборудовать для работы на биогазе. Во время второй мировой войны и в послевоенное время исследовалось и пропагандировалось производство биогаза из органических отходов. Из-за снижения стоимости нефти развитие биогазовых технологий в 60-х годах прекратилось. В странах, которые развиваются, приобрели распространения простые биогазовые установки. В Китае уже созданы миллионы таких установок - "приусадебного"типа. В Индии построено около 70 млн. установок. В развитых странах после кризиса 1973 года получили распространение крупнообъемные биогазовые установки. Появилась возможность быстро сбраживать канализационные стоки в анаэробных фильтрах при относительно низкой температуре брожения.

Среди многообразия биогазовых установок, которые сегодня работают во многих странах мира, встречаются установки с объемом реактора от нескольких до нескольких тысяч кубометров. Условно их можно разделить на:

Малые, или приусадебные - объем реактора до 20 м3;

Фермерские - 20-200 м3;

Средние - 200-500 м3;

Большие - свыше 500 м3

Преимущества биогазовых установок:

Агрономические - возможность получать высокоэффективные органические удобрения;

Энергетические - производство биогаза;

Экологические - обезвреживание негативного влияния отходов на окружающую среду;

Социальные - улучшение бытовых условий, что особенно актуально для жителей сельской местности.

Во многих странах широкомасштабно используют потенциал, который дает такой способ переработки отходов. К сожалению, в Украине еще и сейчас он остается несколько экзотичным и на практике применяется в единичных случаях, в частности для анаэробной переработки органических отходов на удобрение, что актуально в нынешних условиях. Даже энергетический кризис не стимулировал развитие этой технологии получения энергии, тогда как в некоторых странах, например Индии и Китае, уже длительное время действуют национальные программы переработки отходов в биоустановках. Весомый процент энергетических потребностей во многих странах Европы обеспечивает именно эта технология, а в Англии еще до 1990 года планировалось обеспечивать сельское население газом "собственного производства".

Рис 41. Биогазовая установка Рис 42. Индийская

в Эфиопии биогазовая установка

Не отбрасывая значение крупнообъемных установок, стоит обратить пристальное внимание на преимущества малых биогазовых установок. Они дешевые, доступные для строительства индивидуальным и промышленным способами, простые и безопасные в обслуживании, а продукты переработки в них органических отходов - биогаз и высококачественные органические удобрения - можно использовать непосредственно на потребности фермерского хозяйства без расходов на их транспортировку.

К преимуществам малых биогазовых установок следует отнести доступность местных материалов для сооружения установки, возможность обслуживания силами владельца, отсутствие потребности в учете, транспортировке на далекие расстояния и подготовке к использованию биогаза.

Небольшие биогазовые установки имеют и определенные недостатки, сравнительно с большими. Здесь тяжелее автоматизировать и механизировать процессы подготовки субстрату и работу самих установок, проблематичным является измельчение субстрату, его подогрев, загрузка и разгрузка, хранение до и после обработки, которая предопределяет потребность в емкостях для складирования ферментированных отходов. Кроме того, чтобы довести субстрат до необходимой для ферментации концентрации, следует иметь еще одну емкость и определенное количество воды. Для уменьшения затрат воды стоит предусмотреть возможность ее повторного использования. Возникают проблемы и с обезвоживанием ферментированной массы. Чаще всего узлы, которые используются для механизации работ (измельчение, смешивание, подогрел, подача продуктов переработки и тому подобное) на больших установках, непригодны к применению на малых из-за своих технических параметров и высокой стоимости.

Приусадебные установки производят небольшие объемы биогаза, потому более сложно организовать процессы его обезвоживания и очистки от примесей негорючих составляющих.

К проблемам эксплуатации малых биогазовых установок следует отнести неравномерность процесса получения биогаза в разные времена года. В летний период эксплуатации проблемы возникают из-за того, что на подогрев субстрата при наличии газового нагревателя будет тратиться меньше биогаза собственного производства, его товарное количество будет большим чем в зимний период. Летом, когда животных выгоняют на пастбище, уменьшается и количество отходов - сырья для работы биореактора. В составе таких установок нецелесообразно предусматривать узлы для значительного накопления биогаза - когда газа будет производиться больше чем нужно для хозяйства, его придется просто выпускать в атмосферу.

Но невзирая ни на что, анаэробная переработка органических отходов - высокоэффективный и выгодный способ получения качественных органических удобрений и экологически чистого энергоносителя. Малые приусадебные биогазово-гумусные установки с реактором до 20 м3 можно рекомендовать к установке практически на каждом сельском дворе, где накапливаются органические отходы.

Среди основных современных тенденций развития биогазовых технологий можно выделить такие:

Сбраживание поликомпонентных субстратов;

Применение "сухого" типа анаэробной ферментации для производства биогаза из энергетических растительных культур;

Создание централизованных биогазовых станций большой производительности и тому подобное.

Существуют четыре основных типа реализации технологии анаэробного сбраживания, а именно: крытые лагуны и метантанки, работающие в режиме реактора-смесителя и реактора с носителем биомассы. Техническая и экономическая целесообразность применения того или иного типа зависит, главным образом, от влажности субстратов и климатических условий в районе расположения биогазовой установки. Тип примененного биореактора отражается на общей длительности процесса метанизации.

Крытые лагуны целесообразно применять в условиях теплого и умеренного климата - для жидких навозных стоков, которые не содержат включений со значительной гидравлической крупностью. Такие реакторы специально не обогреваются, а потому их считают не интенсивными. Длительность распада органического вещества к стабилизации отходов значительно превышает аналогичную в реакторах с интенсивным режимом сбраживания.

К реакторам с интенсивным режимом сбраживания относят обогревающиеся реакторы разных типов. Существуют два принципиальных отличия между конструкциями таких реакторов, которые зависят от характеристики сбраживаемых субстратов. В реакторах первого типа сбраживают преимущественно субстраты с доминированием жидких навозных отходов. Самый распространенный тип таких реакторов - цилиндрические бетонные или стальные с центральной колонной, перекрытые эластичной мембраной, которая служит для герметизации сооружения и накопления образуемого биогаза. Такие реакторы работают по принципу полного смешивания, когда каждая свежая порция смеси исходных субстратов смешивается со всей сбраживаемой массой реактора. Принципиальная конструкция таких реакторов отображена на рисунке 43.

Рис.43 . Вертикальный тип метантанка

2 - перелив субстрата;

3 - помпа подачи воздуха;

4 - теплоизоляция метантанка;

5 - центральная колонна, которая поддерживает мембрану газгольдера от падения;

6 - перемешивающее устройство;

7 - привод перемешивающего прибора;

8 - площадка обслуживания;

9 - мембрана газгольдера;

10 - уровень наполнения метантанка;

11 - высота поднятия мембраны газгольдера;

12 - подогревательные трубопроводы

Другой тип реакторов для жидких субстратов - горизонтального типа, работающие по принципу вытеснения. В таких сооружениях исходная смесь субстрата подается с одной стороны, а отводится из другого. При этом органическое вещество испытывает последовательные превращения за счет консорциума микроорганизмов, уже имеющихся в исходном субстрате. Такие реакторы можно считать менее эффективными по интенсивности процесса, однако в них, за счет разнесения в пространстве точек входа свежих субстратов и выхода сброженных, удается минимизировать риск выхода вместе со сброженным субстратом (который удаляется из метантанка) несброженной порции свежих субстратов. Реакторы такого типа целесообразно применять для небольших объемов сбраживаемых субстратов.

Реакторы следующего типа предназначены для метанизации сухих органических смесей, в которых преобладают косубстраты из энергетических растительных культур. Реакторы такого типа приобретают распространения вместе с распространением технологий "сухой" ферментации энергетических культур растений. Характерной особенностью таких метантанков является то, что их проектируют как реакторы полного вытеснения.

Из технологических позиций процесс получения биогаза из органического вещества является многостадийным. Он состоит из процесса подготовки субстратов к сбраживанию, процесса биологического разложения вещества, дображивания (по желанию), обработки сброженного субстрата и добытого биогаза, подготовки их к использованию или утилизации на месте. На рисунке 2 приведена принципиальная технологическая схема типичной фермерской биогазовой станции для совместного сбраживания навозных отходов и органических косубстратов.

Рис. 44 . Принципиальная технологическая схема типичной фермерской биогазовой станции

Подготовка субстрата к сбраживанию предусматривает сбор и гомогенизацию (перемешивание) субстрата. Для сбора субстрата, в зависимости от его проектного количества, строят накопительную емкость, обустроенную специальным перемешивающим устройством и помпой, которая в дальнейшем будет подавать подготовленный субстрат к реактору (метантанку). В зависимости от типов субстратов, система подготовки вещества может быть усложнена модулями измельчения или стерилизации косубстратов (при необходимости).

После предварительной подготовки предварительно рассчитанное количество субстрата перекачивают с помощью насосов системой трубопроводов к реактору. В реакторе (метантанке) субстрат поддается деструкции при участии микробиоценоза на протяжении расчетного времени, в зависимости от избранного температурного режима. Метантанк оборудуют системой подогревательных трубопроводов, перемешивающим устройством (для устранения возможности расслоения среды и возникновения корки, равномерного деления питательных для микробиологической среды веществ и выравнивания температуры субстрата), системами отвода добытого биогаза и отвода сброженного субстрата. Кроме того, метантанк оборудуют системой подачи воздуха, небольшое количество которого нужно для очистки биогаза от сероводорода биохимическим осаждением.

Степень распада органического вещества на момент завершения активного газообразования приближается до 70-80%. В этом состоянии сброженная органическая масса может подаваться на систему сепарации для деления на твердую и жидкую части в специальном сепараторе.

Для утилизации добытого биогаза существует несколько схем, основным из которых является сжигание биогаза в когенерационной установке непосредственно на объекте, с добычей электроэнергии и теплоты, которые используются на собственные потребности фермы и биогазовой станции. Кроме того, часть электрической энергии передается в электросети.

Основным субстратом при анаэробном сбраживании, как правило, является навоз животных и птицы, а также отходы убойных цехов. Субстраты такого происхождения содержат больше всего микроорганизмов, необходимых для организации и хода процесса метанового брожения, поскольку они присутствуют уже в желудке животных.

Как свидетельствует опыт Германии, большинство установок работают на смеси косубстратов с разным их дольным соотношением. В стране реализовали специальную программу сбора данных из более чем 60 показательных работающих биогазовых станций и проанализировали их. Существуют достаточно много станций (около 45%), где в качестве основного субстрата используют навоз объеме 75-100% от общего объема смеси. Вместе с тем есть также много станций, где содержание навозных стоков менее 50%. Это указывает на то, что биогазовые установки в Германии при производстве биогаза в значительной мере используют потенциал не только навозных отходов, но и разнообразных дополнительных косубстратов.

Анализ данных о производстве биогаза на этих станциях показал, что с увеличением частицы косубстратов в смеси увеличивается удельный выход метана. Самым распространенным среди косубстратов разных типов является силос кукурузы. Его закупают у фермеров в измельченном виде, готовом к загрузке в реакторы, и складируют на открытых огражденных площадках. Кроме силоса кукурузы, достаточно широко используют и травяной силос, полову зерновых, жировые отходы, скошенную траву, молочную сыворотку, пищевые и овощные отходы и тому подобное.

В сознании украинского фермера биогазовая установка крепко связана исключительно с переработкой отходов больших ферм. Главным стимулом для строительства БГУ в Украине, чаще всего не слишком эффективным, остается необходимость очистки сточных вод. Интересной для фермера является и возможность получения высококачественных органических удобрений. Энергетические аспекты получения биогаза остаются недоиспользованными из-за низких тарифов на электрическую и тепловую энергию, в результате чего окупаемость БГУ за счет продажи энергии оказывается очень низкой.

Конечно, для того, чтобы биогазовые технологии начали активно развиваться, нужно узаконить систему "зеленых" тарифов на все виды возобновляемой электрической и тепловой энергии, как это уже состоялось во многих странах мира, и не только в развитых.

Другой путь повышения эффективности биогазовых установок заключается в активном использовании для сбраживания дополнительных субстратов, например силоса кукурузы. Прекрасным примером эффективной биогазовой установки является БГУ немецкой компании Енвитек Биогаз. Стандартная БГУ компании комплектуется реактором 2500 м3 и когенерационной установкой электрической мощностью 500 кВт. Базовым поставщиком сырья для такой установки может быть обычная для Германии свиноферма с поголовьем 5000 свиней. Повышение выхода биогаза достигается за счет добавления силоса кукурузы. Для непрерывной работы установки на протяжении года нужно 6000 тонн силоса, или 300 гектаров земли при урожайности силоса 20 т/га.

Жидкие стоки - обеззараженная дезодорирована жидкость, которая содержит до 1 % зависших веществ и имеет в составе удобряющие элементы. Фугат - прекрасная органическая подпитка для сельскохозяйственных культур, использование которой удобно как при поливе, так и при орошении. После доочистки жидкие стоки можно использовать даже как техническую воду.

Биогаз используется для производства электрической и тепловой энергии. Сжигая 1 м3 биогаза, можно получить 2,5-3 кВт/час электроэнергии и 4-5 кВт тепловой энергии. При этом 40-60 % биогаза используется на технологические потребности установки. Биогаз под давлением 200-220 атм. можно использовать для заправки автотранспорта.

Кроме производства энергии и удобрений при сбраживании отходов, биогазовые установки исполняют роль очистных сооружений - уменьшают химическое и бактериологическое загрязнение почвы, воды, воздуха и переделывают органические отходы в нейтральные минерализованные продукты. Сравнительно с энергией малых рек, ветровой и солнечной энергией, где установки используют экологически чистые источники энергии (пассивно чистые установки), биоэнергетические установки (БЭУ) являются активно чистыми, что устраняет экологическую опасность продуктов, которые являются для них сырьем.

В мире используются много типов биогазовых установок. Они содержат устройства для приема навоза растительной массы, метатанки и энергосиловые блоки.

Отличаются между собой метантанки конструкцией устройств для перемешивания массы во время сбраживания. Самое частое перемешивание осуществляют с помощью вала с лопастями, который обеспечивает послойное перемешивание сбраживаемой массы. Кроме того, перемешивают гидравлическими и механическими устройствами, которые обеспечивают забор массы из нижних слоев метантенка и подачу в верхнюю часть. Биогазовые установки, которые работают в интенсивном режиме, имеют камеры аэробного (кислородного) брожения, где происходит подготовка массы к сбраживанию, и анаэробному (метанового) брожению. Есть также устройства для перемешивания массы, выполненные в виде вала с лопатками, размещенного по вертикальной оси корпуса и прикрепленного к верхней части плавающего газового колпака. Перемешивание массы в реакторе происходит за счет вращения вала с лопатками и перемещения плавающего перекрытия. Некоторые устройства обеспечивают лишь разбивание корки, которая образуется на поверхности массы обрабатываемой детали. Перемешивания достигают также путем использования перегородок и сифона двустороннего действия, которое обеспечивает попеременное переливание массы из нижней зоны одной секции в верхнюю второй и, наоборот, за счет регуляции давления газа. Иногда метантанки выполняет в виде сферы или цилиндра, которые должны возможность вращаться вокруг своей геометрической оси.

В Украине в связи с резким подорожанием природного газа, исчерпаемости его ресурсов усилился интерес к биогазовым технологиям. На сегодня в усадьбах и небольших фермерских хозяйствах страны еще не используют небольшие биогазовые установки. В то же время, например, в Китае и Индии построены и успешно эксплуатируются миллионы мелких метантанков. В Германии из 3711 действующих биогазовых установок около 400 составляют фермерские биогазовые установки, в Австрии их более 100.

Рис.45. Немецкая биогазовая установка (фермерская)

Рис.46 Схема биогазовой установки для фермерского хозяйства :

1 - сборники для гноя (схематически); 2 - система загрузки биомассы; 3- реактор 4 реактор досбраживания; 5 - субстратор; 6 - система отопления; 7 - силовая установка; 8 - система автоматики и контроля; 9 - система газопроводов.

Рис.47 Схема биогазовой установки для фермерского хозяйства

По показаниям ветеранов Великой Отечественной войны, во время освобождения Румынии они видели на многих крестьянских дворах небольшие примитивные биогазовые установки, которые производили биогаз, используемый для бытовых потребностей.

Из небольших биогазовых установок следует назвать установки, разработанные компанией ООО "Биодизельднепр" (г. Днепропетровск). Они предназначены для переработки путем анаэробного сбраживания (без доступа кислорода) органических отходов приусадебных и фермерских хозяйств. Такие установки позволяют перерабатывать ежесуточно 200-4000 кг отходов в непрерывном режиме или 1000-20000 кг- циклический, на протяжении пяти суток. При этом, обеспечивается получение не менее 3м3 биогаза на 1 м3 объема реактора, который может быть использован в установках для получения тепла или электроэнергии, необходимой для покрытия энергетических потребностей установки; для систем газообеспечения (освещение помещений, приготовления еды), отопления и горячего водообеспечения хозяйства; в установках синтеза биоэтанола и биодизельного топлива, а также соответствующего количества высококачественного органического удобрения, готового для внесения в почву.

Производственно-коммерческая фирма "Днепр-Десна» (г. Днепропетровск) разработала малую биоэнергетическую установку "Биогаз-6МГС 2", предназначенную для частного хозяйства (3-4 коровы, 10-12 голов свиней, 20-30 голов птицы). Производительность этой установки составляет приблизительно 11 м 3 биогаза за сутки. Такое количество газа покрывает потребности в отоплении помещения площадью 100 м 2 и горячей воде для семьи из пяти человек.

Заслуживает на внимание опыт внедрения небольшой биогазовой установки в поселке Лески Кенийского района Одесской обл. Биогазовая установка разработана и изготовлена частной фирмой в Днепропетровске.

Установка монтировалась в пределах реализации проекта "Модель утилизации отходов животноводства в регионе дельты Дуная", разработанного группой одесских неправительственных организаций в рамках программы малых экологических проектов при финансовой поддержке британского фонда окружающей "среды для Европы" и при содействии министерства по делам охраны окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства Британии и британского совета.

При нормальной загрузке и эксплуатации биогазовая установка, объем реактора которой составляет 3 м3, сможет выдавать до 3 м3 биогаза в сутки за счет переработки отходов от 100 голов птицы, или от 10 свиней, или от 4 коров. Это минимальные требования к работе установки.

Реактор установлен на поверхности земли. Это связано, во-первых, с конструкцией реактора. Загрузка в него биологического сырья осуществляется снизу, через экструдер, а сливание отработанного материала - через верх, что и отличает отмеченную конструкцию от других, в которых загрузка идет сверху, а отбор - снизу. Второй причиной наземного размещения является высокий уровень почвенных вод в селе - на глубине 50 см. Зимой подогрев навоза в реакторе осуществляется за счет электроэнергии, а летом хватает энергии солнца.

Получаемый газ используется, в первую очередь, для приготовления еды - газопровод подведен к летней кухне. Нужно поддерживать в реакторе температуру 30-35°С и следить за выработкой биогаза. Переработанный в биореакторе навоз необходимо выгружать своевременно.

Как уже отмечалось, в западной Европе в фермерских хозяйствах животноводческого направления широко внедряются биогазовые установки. Особенностью таких установок является введение в их состав энергосиловых блоков, где биогаз превращается в электроэнергию, и использование, кроме навоза, растительной массы.

Для подачи растительной массы в метантанки целесообразно использовать небольшие питатели. Вместимость приемного бункера такого питателя составляет 4 м3, общая длина конвейера - 6 м; мощность привода - 7,5 кВт.

Для комплектации фермерских биогазовых установок может быть эффективно использован мини-энергосиловой блок "С-ВОХ50". Электрическая мощность такого энергосилового блока составляет от 25 до 48 кВт; тепловая мощность - от 49 до 97 кВт.

Германия предлагает небольшие компактные биогазовые установки мощностью 30 и 100 кВт, которые рассчитаны на использование навоза и кукурузного силоса. Установка на 30 кВт включает накопитель-погрузчик на 5 м3 твердой органической массы, бетонный ферментер на 315 м3 и УШ-газовый мотор мощностью 30 кВт электрической и 46 кВт тепловой энергии. Для обеспечения работы биогазовой установки на 30кВт в случае использования смеси 50 % навоза и 50 % силоса необходимо иметь 5-7 га кукурузы. Установка на 100 кВт имеет приемник-питатель кукурузного силоса вместимостью до 20 м3, ферментатор вместимостью 1200 м3 и газмотор имей мощностью 100 кВт электрической и 108 кВт тепловой энергии. При использовании для обеспечения работы биогазовой установки на 100 кВт смеси 50 % навоза и 50 % кукурузного силоса нужно иметь 30 га кукурузы.

Следует отметить, что, внедряя биогазовые установки, зарубежные фирмы применяют индивидуальный подход к каждому фермеру. Для конкретного хозяйства, после соответствующего обследования имеющихся видов и ресурсов биомассы и определения основных целей использования установки, разрабатывается или подбирается соответствующая технология (технологический режим), на основе чего проектируется установка (технологическая линия). Комплектация зависит от избранной технологии. Большинство фирм разрабатывают и монтируют биогазовые установки "под ключ". Большое внимание при использовании биогазовых установок уделяется технологиям подготовки биомассы к сбраживанию, поскольку от качества сырья зависят энергетические показатели. Для эффективного управления биогазовой установкой целесообразно использовать измерительную и регулировочную техники.

Наиболее эффективной технологией считается сбраживание с превращением энергии биогаза в электрическую и тепловую.

Рачительный хозяин мечтает о дешевых энергоресурсах, эффективной утилизации отходов и получении удобрений. Домашняя биогазовая установка своими руками – это недорогой способ воплощения мечты в реальность.

Самостоятельная сборка такого оборудования обойдется в разумные деньги, а вырабатываемый газ станет хорошим подспорьем в хозяйстве: его можно использовать для приготовления пищи, отопления дома и других нужд.

Давайте попробуем разобраться в специфике работы этого оборудования, его преимуществах и недостатках. А также в том, возможно ли самостоятельно построить биогазовую установку и будет ли она эффективна.

Биогаз образуется в результате брожения биологического субстрата. Его разлагают гидролизные, кислото- и метанообразующие бактерии. Смесь вырабатываемых бактериями газов получается горючей, т.к. содержит большой процент метана.

По своим свойствам она практически не отличается от природного газа, который используется для промышленных и бытовых нужд.

При желании каждый владелец дома может приобрести биогазовую установку промышленного изготовления, но это дорого, а окупаются вложения в течение 7-10 лет. Поэтому имеет смысл приложить усилия и сделать биореактор своими руками

Биогаз – экологически чистое топливо, а технология его получения не оказывает особого влияния на окружающую среду. Более того, в качестве сырья для биогаза используют отходы жизнедеятельности, которые нуждаются в утилизации.

Их помещают в биореактор, где происходит переработка:

• в течение некоторого времени биомасса подвергается воздействию бактерий. Срок брожения зависит от объема сырья;
• в результате деятельности анаэробных бактерий выделяется горючая смесь газов, в состав которой входят метан (60%), углекислый газ (35%) и некоторые другие газы (5%). Также при брожении в небольших количествах выделяется потенциально опасный сероводород. Он ядовит, поэтому крайне нежелательно, чтобы люди подвергались его воздействию;
• смесь газов из биореактора очищается и поступает в газгольдер, где хранится до момента использования по назначению;
• газ из газгольдера можно использовать точно так же, как природный. Он поступает к бытовым приборам – газовым печам, отопительным котлам и т.п.;
• разложившуюся биомассу необходимо регулярно удалять из ферментатора. Это дополнительные трудозатраты, однако усилия окупаются. После брожения сырье превращается в высококачественное удобрение, которое используют на полях и огородах.

Биогазовая установка выгодна для владельца частного дома только в том случае, если у него есть постоянный доступ к отходам животноводческих ферм. В среднем из 1 м.куб. субстрата можно получить 70-80 м.куб. биогаза, но выработка газа идет неравномерно и зависит от многих факторов, в т.ч. температуры биомассы. Это осложняет расчеты.

Биогазовые установки. Производство биогаза

Комплектные установки из нержавеющей стали для производства биогаза.

Биогазовые установки - это комплексное решение утилизации отходов пищевой промышленности, агропромышленного комплекса, производство тепловой, электрической энергии, и удобрений. Производство метана в установке для производства биогаза, является - реализацией биологического процесса.

Немецкая компания разрабатывает и производит комплектные установки для производства биогаза и продает их во всем мире. Построены, запущены и успешно работают более 300 заводов по производству биогаза в Германии, Франции, Нидерландах, Греции, Великобритании, Швеции, Испании, Люксембурге, Чехии, Литве, США, Японии и на Кипре. Предлагаемые установки - это не экспериментальное, а работающее, проверенное и надежное немецкое оборудование, сертифицированное по ISO и изготовленное в комплекте на собственном заводе.

Мы продемонстрируем Вам, каким образом Вы сможете, осмысленно и экономично использовать биоэнергию.

Биогаз - это газ, состоящий примерно из 60% метана (СН4) и 40% углекислого газа. Синонимами для биогаза являются канализационный газ, шахтный газ и болотный газ, газ-метан. Если в качестве примера рассмотреть навоз, то, если на предприятии образуется 1 т такого «биоотхода» в день, то это означает, что из него может быть получено 50 м3 газа или 100 кВт электроэнергии, или замещено 35 л дизельного топлива. Срок окупаемости оборудования для переработки навоза находится в пределах 2-3 лет, а для некоторых других видов сырья еще ниже и достигает 1,5 года. Кроме прямых денежных выгод, постройка биогазовой установки имеет косвенные выгоды. Она, например, обходится дешевле, чем протяжка газопровода, линии электропередач, резервных дизель генераторов и создание лагун. В таблице представлен выход газа для различных видов сырья.

ИСТОЧНИКИ СЫРЬЯ

Важная область применения установок по производству биогаза - это крупные агропромышленные комплексы, фермы КРС, птицефабрики, рыбные заводы, хлебобулочные комбинатам, предприятия пищевой промышленности, мясокомбинаты, спиртовые заводы, пивоваренные заводы, молочные заводы, растениеводческие предприятия, сахарные заводы, крахмалопаточные заводы, предприятиям по производству дрожжей, и не только в качестве альтернатив-ного источника энергии, но и как эффективного метода утилизации навоза (помета) и производства дешевого удобрения, как для собственных нужд, так и для продажи на рынке. Биогазовая установка производит биогаз и биоудобрения из органических отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности путем бескислородного брожения, что обеспечивает самую активную систему очистки. В качестве сырья может использоваться навоз КРС, навоз свиней, птичий помет, отходы бойни (кровь, жир, кишки, кости), отходы растений, силос, прогнившее зерно, канализационные стоки, жиры, биомусор, отходы пищевой промышленности, садовые отходы, солодовый осадок, выжимка, спиртовая барда, свекольный жом, технический глицерин (от производства биодизеля). Большинство видов сырья можно смешивать друг с другом. Переработка отходов - это в первую очередь система очистки, которая сама себя окупает и приносит прибыль. На выходе установки из отходов образуется одновременно и в больших количествах: биогаз, электричество, тепло и удобрения.

Все перечисленное выше производится по нулевой себестоимости. Ведь навоз бесплатен, а сама установка на себя потребляет всего 10-15% энергии. Для работы мощной установки достаточно одного человека два ча-са в день. Биогазовые установки полностью автоматизированы и соответс-твенно затраты на оплату труда минимальны.

Технология и принцип работы биогазовой установки

Биогазовая установка производит биогаз и биоудобрения из биологических отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности путем бескислородного брожения. Биогаз является продуктом жизнедеятельности полезных метанобразующих бактерий. Микроорганизмы метаболизируют углерод из органических субстратов в бескислородных условиях (анаэробно). Этот процесс, называемый гниением или бескислородным брожением, следует за цепью питания.

Состав типовой биогазовой установки:

Биоотходы могут доставляться грузовиками или же перекачиваться на биогазовую установку насосами. Сначала коферменты высыпаются (перемалываются), гомогенизируются и перемешиваются с навозом (пометом). Гомогенизация чаще всего выполняется при температуре 70 о С в течение одного часа при размере максимальной частицы 1 см. Гомогенизация с навозом производится в перемешивающем резервуаре с мощными мешалками.

Реактор является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром. Это конструкция теплоизолируется, потому что внутри резервуара должна быть фиксированная для микроорганизмов температура. Внутри реактора находится миксер, предназначенный для полного перемешивания содержимого реактора. Создаются условия для отсутствия плавающих слоев и/или осадка.

Микроорганизмы должны быть обеспечены всеми необходимыми питательными веществами. Свежее сырьё должно подаваться в реактор небольшими порциями несколько раз в день. Среднее время гидравлического отстаивания внутри реактора (в зависимости от субстратов) 20- 40 дней. На протяжении этого времени органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами. На выходе установки образуется два продукта: биогаз и субстрат (компостированный и жидкий).

Биогаз сохраняется в емкости для хранения газа газгольдере, в котором выравниваются давление и состав газа. Из газгольдера идет непрерывная подача газа в газовый двигатель генератор. Здесь уже производится тепло и электричество. При необходимости биогаз дочищается до природного газа (95% метана) после такой очистки, полученный газ - аналог природного газа (90-95 % метана CH4). Отличие только в его происхождении.

Биогазовые установки работают 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, круглый год. Такой режим работы является еще одним их преимуществом. Всей системой управляет система автоматики. Для управления достаточно всего один человек два часа в день.

Этот сотрудник ведет контроль с помощью обыкновенного компьютера, а также работает на тракторе для подачи биомассы. После 2-х недельного обучения на установке может работать человек без особых навыков, т.е. со средним или средним специальным образованием.

ВЫГОДЫ

• Биогаз.
• Собственная биоэнергетическая станция.
• Правильная утилизацию органических отходов. Отходы в доходы!
• Биоудобрения. При использовании удобрений, полу-ченных на биогазовых установках, уро-жайность может быть повышена на 30--50%. Обычный навоз, барду или другие отходы нельзя эффективно использовать в качестве удобрения 3-5 лет. При исполь-зовании же биогазовой установки биоот-ходы перебраживают и, переброженная масса тут же может использоваться как высокоэффективное биоудобрение. Переброженная масса - это готовые экологически чистые жидкие и твердые биоудобрения, лишенные нитри-тов, семян сорняков, патогенной микро-флоры, яиц гельминтов, специфических запахов. При использовании таких сба-лансированных биоудобрений урожай-ность значительно повышается.
• Электроэнергия. Установив био-газовую установку, предприятие бу-дете иметь свою, по сути, бесплатную электроэнергию, а значит, существен-ное снижение себестоимости продук-ции, что в свою очередь позволит пос-леднему получить дополнительные конкурентные преимущества.
• Тепло. Тепло от охлаждения генератора или от сжигания биогаза можно ис-пользовать для обогрева предпри-ятия, теплиц, технологических целей, полу-чения пара, сушки семян, сушки дров, получения кипяченой воды для содер-жания скота. Предприятие получает газ, электроэнергию, тепло, удобрения и обеспечивает замкнутый цикл производства. Проект окупается за счет уменьшения себестоимости производимой предприятием продукции, поскольку снижаются затраты на покупку газа, электроэнергии, горячей воды и удобрений.
• Дополнительная прибыль может быть направлена на погашение кредита и на развитие производства. Уменьшение энергетической зависимости, умень-шение выбросов парниковых газов, уменьшение загрязнения окружа-ющей среды отходами сельскохозяйс-твенного производства, отсутствие на предприятии неприятного запаха.

Строительство биогазовой установки актуально не только для вновь создаваемых ферм, но и для старых. Ведь часто старые лагуны переполнены, и их ремонт требует значи-тельных средств. Если некоторые отходы можно просто хранить в отстойниках, то на утилизацию некоторых (например, на отходы бойни) необходимо затрачивать энергию и средства. Требования к площадке. Установка может располагаться на месте отстойников, лагун или старой свалки. Средние размеры площадки под установку 40х70 м.

Цена биогазовой установки

Каждое предприятие индивидуально, поэтому в каждом случае финансовые затраты будут рассчитываться специалистами.

Пример проекта

Мы приводим пример средних затрат и доходов при установке биогазового оборудования.
Калькуляция затрат и доходов на примере биогазовой установки для спиртового завода. Стоимость установки 1280 тыс. евро. Все услуги и работы включены. Производительность по зерновой барде 100 т в сутки.

Влажность сепарированной барды 70%. Средний срок окупаемости проекта 2-3 года. А при полном использовании возможностей установки окупаемость может быть 1,5-1,8 года. Использование возможностей - это добавление коферментов, использование тепла в теплицах, продажа полностью всех производимых удобрений.

Затраты на энергоносители - одна из основных статей издержек, которая существенно влияет на себестоимость продукции. Очистные сооружения потребляют около 50% энергии, а при постройке биогазовой установки происходит экономия этих 50%. Предприятие получает газ, электроэнергию, тепло, удобрения и обеспечивает замкнутый цикл производства.

Проект окупается за счет уменьшения себестоимости продукции, поскольку снижаются затраты на покупку газа, электроэнергии, горячей воды и удобрений. Дополнительная прибыль может быть направлена на погашение кредита и на развитие производства.

Материал подготовлен Шиловой Е.П.