Что такое биогаз, как его получают и в чем его преимущества

Какие установки применяют для получения биогаза

Если установку планируется разместить вблизи фермы, то лучшим вариантом будет разборная конструкция, которую легко перевезти в другое место. Основной элемент установки – биореактор, в который заливается сырье и происходит процесс брожения. На крупных предприятиях используют цистерны объемом 50 кубических метров.

В частных хозяйствах строят подземные резервуары в качестве биореактора. Их выкладывают из кирпича в подготовленную яму и обмазывают цементом. Бетон повышает степень безопасности конструкции и препятствует попаданию воздуха. Объем зависит от того, сколько сырья в день получают с домашних животных.

Поверхностные системы также популярны в домашних условиях. При желании установку можно разобрать и перенести в другое место, в отличие от стационарного подземного реактора. В качестве цистерны используют пластиковые, металлические или поливинилхлоридные бочки.

По типу управления имеются:

автоматические станции, в которых долив и откачка отработанного сырья осуществляется без участия человека;

механические, где весь процесс контролируется вручную.

В домашних условиях рекомендуется использовать электрические измельчители навоза, а также мешалки, которые будут контролировать процесс образования корки.

С помощью насоса можно облегчить освобождение резервуара, в который попадают отходы после брожения. Некоторые народные умельцы применяют насосы для откачки газа из подушек (например, автомобильных камер) в очистное сооружение.

Схема самодельной установки для получения биогаза из навоза

Перед сооружением биогазовой установки на своем участке необходимо ознакомиться с потенциальной опасностью, которая может взорвать реактор. Главное условие – отсутствие кислорода.

Метан – это взрывоопасный газ и он способен воспламеняться, но для этого его необходимо нагреть выше 500 градусов. Если биогаз смешается с воздухом, возникнет избыточное давление, которое разорвет реактор. Бетонный может треснуть и будет не пригоден для дальнейшего использования.

Видео: Биогаз из птичьего помета

Чтобы давление не сорвало крышку, применяют противовес, защитную прокладку между крышкой и резервуаром. Емкость заполняют не до конца – должно оставаться как минимум 10% объема для выхода газа. Лучше – 20%.

Итак, чтобы сделать у себя на участке биореактор со всеми приспособлениями, необходимо:

Удачно выбрать место, чтобы оно находилось подальше от жилья (мало ли что).

Рассчитать предположительное количество навоза, которое ежедневно выдают животные. Как считать – читать ниже.

Определиться, где проложить загрузочную и отгрузочную трубу, а также трубу для конденсации влаги в полученном газе.

Определиться с местом расположения резервуара для отходов (по умолчанию удобрения).

Вырыть котлован, исходя из расчетов количества сырья.

Выбрать емкость, которая будет служить резервуаром для навоза и установить ее в котлован. Если планируется бетонный реактор, тогда дно котлована заливается бетоном, стенки выкладываются кирпичом и штукатурятся бетонным раствором. После этого необходимо дать время просохнуть.

Стыковки между реактором и трубами также герметизируются на этапе закладки резервуара.

Обустроить люк для осмотра реактора. Между ним ставится герметичная прокладка.

Если климат холодный, то перед бетонированием или установкой пластикового резервуара продумывают способы его обогрева. Это могут быть нагревательные приборы или лента, используемая в технологии «теплый пол».

В конце работ проверить реактор на герметичность.

Расчет количества газа

Из одной тонны навоза можно получить примерно 100 кубических метров газа. Вопрос – сколько помета дают домашние животные в сутки:

курица – 165 г в сутки;

корова – 35 кг;

коза – 1 кг;

конь – 15 кг;

овца – 1 кг;

свинья – 5 кг.

Умножить эти показатели на количество голов и получится суточная доза экскрементов, подлежащих переработке.

Больше газа получают от коров и свиней. Если добавить в смесь такие энергетически мощные растения как кукуруза, свекольная ботва, просо, то количество биогаза увеличится. Большой потенциал у болотных растений и водорослей.

Самый высокий – у отходов мясоперабатывающих комбинатов. Если такие хозяйства есть поблизости, то можно скооперироваться и установить один реактор на всех. Сроки окупаемости биореактора 1 – 2 года.

Как подогревать биореактор?

Устройство биогазовой установки предполагает ее подземное расположение. Нужно подготовить яму необходимого объема. Ее стенки можно герметично укрепить и отделать пластиком, полимерными кольцами или бетоном.

От герметичности зависит интенсивность переработки сырья. В идеале стоит приобрести заводские полимерные кольца, имеющие сухое дно. Это более дорогое решение, но можно избежать дополнительной герметизации.

Полимерные материалы устойчивы к влажности и агрессивным средам. Их не нужно ремонтировать, а при повреждении можно быстро заменить.

Следовательно, биореактор нужно подогревать, особенно зимой. Можно установить змеевик, подключенный к бытовой отопительной системе.

Другой способ – установка электрических нагревательных элементов. Но, более экономически целесообразным решением является именно подключение к отопительной системе.

Биогазовую установку можно и не делать подземной. Существуют альтернативные методы. К примеру, ее можно выполнить в бочке, которая будет находиться в отдельном помещении.

Можно использовать и, например, цистерну. Такой вариант упростит подогрев, но требует наличия достаточно пространства.

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.

Порода животных	Объем экскрементов за сутки	Исходная влажность
КРС	55 кг	86%
Свинья	4,5 кг	86%
Куры	0,17 кг	75%

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.

Механизм образования газа из органического сырья

Биогаз – это летучее вещество без цвета и какого-либо запаха, в котором содержится до 70% метана. По своим качественным показателям он приближается к традиционному виду топлива – природному газу. Отличается хорошей теплотворной способностью, 1м3 биогаза выделяет столько тепла, сколько получается при сгорании полутора килограмм угля.

Образованию биогаза мы обязаны анаэробным бактериям, которые активно трудятся над разложением органического сырья, в качестве которого используются навоз сельскохозяйственных животных, птичий помет, отходы любых растений.

В самостоятельном производстве биогаза может использоваться птичий помет и продукты жизнедеятельности мелкого и крупного домашнего скота. Сырье может применяться в чистом виде и в форме смеси с включением травы, листвы, старой бумаги

Для активизации процесса необходимо создать благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий. Они должны быть схожи с теми, в которых микроорганизмы развиваются в естественном резервуаре – в желудке животных, где тепло и отсутствует кислород.

Собственно, это и есть два основных условия, способствующих чудесному превращению гниющей навозной массы в экологически чистое топливо и ценные удобрения.

Для получения биогаза нужен герметичный реактор без доступа воздуха, где будет происходить процесс брожения навоза и разложения его на составляющие:

• метан (до 70%);
• углекислый газ (примерно 30%);
• другие газообразные вещества (1-2%).

Образовавшиеся газы поднимаются кверху емкости, откуда их затем выкачивают, а вниз оседает остаточный продукт – высококачественное органическое удобрение, сохранившее в результате обработки все ценные вещества, имеющиеся в навозе – азот и фосфор, и потерявшее значительную часть патогенных микроорганизмов.

Реактор для получения биогаза должен иметь полностью герметичную конструкцию, в которой отсутствует кислород, в противном случае процесс разложения навоза будет проходить крайне медленно

Второе важное условие для эффективного разложения навоза и образования биогаза – соблюдение температурного режима. Бактерии, принимающие участие в процессе, активизируются при температуре от +30 градусов

Причем в навозе содержится два вида бактерий:

• мезофильные. Их жизнедеятельность происходит при температуре +30 – +40 градусов;
• термофильные. Для их размножения необходимо соблюсти температурный режим +50 (+60) градусов.

Время переработки сырья в установках первого типа зависит от состава смеси и составляет от 12 до 30 суток. При этом 1 литр полезной площади реактора дает 2 л биотоплива.  При использовании установок второго типа время выработки конечного продукта сокращается до трех дней, а количество биогаза возрастает до 4,5 л.

Эффективность термофильных установок видна невооруженным глазом, однако и цена их обслуживания очень высока, поэтому прежде чем выбрать тот или иной способ получения биогаза, необходимо очень тщательно все просчитать

Несмотря на то, что эффективность термофильных установок в десятки раз выше, применяются они гораздо реже, поскольку поддержание высоких температур в реакторе связано с большими расходами.

Обслуживание и содержание установок мезофильного типа дешевле, поэтому большинство фермерских хозяйств для получения биогаза используют именно их.

Биогаз по критериям энергетического потенциала немногим уступает привычному газовому топливу. Однако в его составе есть сернокислые испарения, наличие которых следует учесть при выборе материалов для сооружения установки

Создание установки для биогаза из навоза в домашних условиях

Для конструирования установки по переработке навоза в биогаз вам понадобится:

• герметично закрывающая емкость (из металла, бетона, пластика) объемом не меньше одного кубометра;
• крышка для реактора с герметичным узлом прохода для ручки мешалки;
• материал для теплоизоляции днища (играет роль системы подогрева);
• ручная мешалка из подручных материалов (можно использовать лопату или винтовой шнек);
• патрубки для подачи/вытяжки субстрата и для вывода биогаза.

В процессе строительства вам могут понадобиться дополнительные материалы: трубы, фильтры, клапаны. Все это можно найти в строительном магазине. Конструкция довольна проста, и вы сможете усовершенствовать ее по мере возведения.

Советы по самодельному изготовлению

Самое важное правило – отсутствие кислорода в реакторе. При его наличии может произойти взрыв

Для того чтобы крышку реактора не сорвало высоким давлением, необходимы противовесы, защитные прокладки между резервуарами и крышками.

На участке перед установкой оборудование необходимо:

• правильно выбрать место (желательно, как можно дальше от жилого дома)
• рассчитать ежедневные объемы образуемого навоза
• выбрать местоположение для труб (отгрузочных, погрузочных, конденсирующих влагу)
• найти место для отходов навоза
• выкопать котлован
• приобрести емкость для резервуара и закрепить ее на дне котлована
• загерметизировать все места стыков
• сконструировать люк для осмотра реактора (между люком и реактором обязательно поставить прокладку)

Если установка происходит в холодном климате, то обязательно стоит продумать способы её нагрева.

Завершающим этапом постройки считается проверка оборудования на герметичность.

Делаем установку из пластиковой бочки

В качестве эксперимента можно попробовать сделать установку из обычной пластиковой бочки. Они выпускаются объемом от 100 до 200 литров. Бочка будет служить реактором. Сделайте в ней два отверстия для входа и выхода патрубков. Входное отверстие делается ближе к днищу, а выходное — сверху. Диаметр отверстий зависит от диаметра используемых патрубков. Пластиковые трубы можно купить в строительном магазине. Вставляем их в отверстия и надежно изолируем. Для входа подойдет труба с изгибом (с соединителем), а для выхода — короткая прямая трубка.

Не забудьте про теплоизоляцию бочки. Ее можно обмотать минеральной ватой, пенополиэтиленом или любым другим материалом. Лучше всего поставить бочку на солнце, чтобы увеличить температуру внутри реактора. Засыпаем внутрь сырье в соотношении 0,7 л воды на 1 кг навоза. Ставим любую подходящую емкость для отвода шлама, устанавливаем сверху ведро и ждем брожения. Ждем около трех недель первой партии своего домашнего биогаза. Помните, что перед использованием метан нужно очистить от двуокиси углерода. С этой задачей справится специальный фильтр, который продается в магазине как «фильтр для очистки сжатого воздуха, углекислого газа и пара».

Биогаз из навоза своими руками: строим подземную установку

Еще один простой способ возвести собственную установку по переработке навоза в биогаз — построить подземную систему. Для начала необходимо вырыть яму объемом не меньше одного кубометра. Ее стенки и днище заливаются керамзитобетоном. С противоположных стен выводится по одной трубе для подачи биомассы и выведения шлама. Выходная труба должна располагаться ближе к днищу, а входная — на 50 см выше дна. Конец выходной трубы подводится к емкости для отходов. Конец входной трубы должен быть расположен таким образом, чтобы вам было удобно закачивать через него новое сырье.

Верхняя часть этого «бункера» представляет собой газгольдер купольной или конусообразной формы. Его проще всего изготовить из металлических листов или кирпичной кладки. На вершине газгольдера монтируется герметичный люк и газовая труба с гидрозатвором.

Перемешивание субстрата в такой установке происходит по принципу барботажа. Для этого возьмите несколько пластиковых труб и проделайте в них как можно больше дырочек. После этого закрепите трубы внутри реактора в вертикальном положении. Когда газ будет подниматься вверх, он будет испускать пузырьки, которые на выходе начнут бурлить в субстрате, тем самым его перемешивая.

Отходы биомассы после получения газа

Образуемый после нагревания навоза шлам применяют повсеместно в сельском хозяйстве в виде удобрений.

Образуемый углекислый газ обычно стремятся очистить, но при растворении его в воде получается полезная жидкость.

Плюсы и минусы по сравнению с другими видами топлива

Для того, чтобы сравнивать между собой различные виды топлива и тем более разные виды энергий, необходимо определить, какие именно параметры подлежат сравнению. При этом сравнивать стоимость некорректно, ведь нормальной цена биогаза станет только после периода окупаемости.

Сравнивать по теплотворной способности также некорректно, потому что далеко не всегда топливо с меньшей теплотворной способностью оказывается хуже более теплотворного.

Поэтому сравнивать разные виды топлива и энергии можно по таким параметрам, как:

1. Пригодность для использования в автомобилях, электрогенераторах и системах отопления (в баллах, 1 балл – подходит для всех, 2 балла – для некоторых, 3 балла – для любого одного).
2. Необходимость создавать специальные условия для хранения (1 балл – можно в любых условиях, 2 балла – нужны специальные емкости, 3 балла – помимо специальных емкостей необходимо дополнительное оборудование, 4 балла – хранение невозможно).
3. Сложность переделки оборудования под другое топливо или энергию (1 балл – минимальные переделки, которые сможет сделать даже человек без опыта; 2 – переделки, доступные более-менее разбирающемуся в вопросе любителю и не требующие какого-то узкоспециализированного оборудования, 3 балла – необходима капитальная переделка).
4. Негативное влияние на экологию (в баллах, 1 – наименьшее, 2 балла – среднее, 3 балла – максимальное);
5. Является ли топливо или энергия возобновляемым (в баллах, 1 балл – полностью (к примеру, ветер или солнечный свет); 2 балла – условно, то есть в определенных условиях, или после каких-то действий, 3 балла – нет).
6. Зависит ли от рельефа местности, времени года и погоды (в баллах, 1 балл – нет, 2 балла – частично, 3 балла – зависит от всего).

Название топлива или энергии	Параметры для сравнения
Возможности использования	Хранение	Оборудование	Влияние на экологию	Возобновляемость	Зависимость от внешних факторов
Биогаз очищенный (содержание метана 95-99%)	1	3	1–2	1	1	1
Пропан	1	2–3	1–2	2	3	1
Бензин	1	2	2	3	3	1
Мазут	3	2	3	3	3	1
Солярка	2	2	3	3	3	1
Дрова	3	1	3	2	1	2
Каменный уголь	3	1	3	2	3	2
Электричество	1	4	3	1	2	1
Энергия ветра	2	4	3	1–2	1	3
Энергия солнца	2	4	3	1	1	3
Энергия движения воды (реки)	2	4	3	1–2	1	3

Как построить реактор на биоматериале

Если биомассы немного, вместо бетонной емкости, можно взять железную, например, обычную бочку. Но она должна быть крепкой, с качественными сварными швами.

Количество сделанного газа напрямую зависит от объема сырья. В маленькой емкости его получится немного. Чтобы получить 100 кубометров биогаза, нужно переработать тонну биологической массы.

Для повышения прочности установки ее обычно заглубляют в землю. Реактор должен иметь входную трубу для загрузки биомассы и отводное отверстие для удаления отработанного материала. Сверху в баке должно быть отверстие, через которое выводится биогаз. Лучше закрывать его на гидрозатвор.

Для правильной реакции емкость должна быть герметично закрыта, без доступа воздуха. Гидрозатвор обеспечит своевременный вывод газов, что предотвратит взрыв системы.

Биогазовая установка

Перед тем, как начать делать биогазовую установку, следует провести расчеты. Когда скота не много, то лучше отдать предпочтение самой простой установке. Ее не так уж сложно сделать собственными руками.

Для крупного сельскохозяйственного объекта подойдет промышленная автоматизированная биогазовая установка. Чтобы ее сделать, нужно привлечь специалистов для разработки проекта и монтажа установки.

На сегодняшний день существует много компаний, предлагающих готовый вариант биогазовой установки, или разработку индивидуального проекта. Некоторые в целях экономии объединяются, покупая одну установку на несколько хозяйств.

Перед постройкой даже небольшой биогазовой установки потребуется собрать документацию:

• технологическая схема;
• пройти пожарную и газовую инспекцию;
• разрешение от санэпидемстанции;
• план размещения оборудования и вентиляции.

При желании и возможностях, можно соорудить оборудование для производства биогаза самостоятельно. В качестве основы подойдет устройство, выпущенное промышленностью.

Специфика получения биогаза

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

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

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

Их помещают в биореактор, где происходит переработка:

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

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

Чтобы процесс получения газа был стабильным и непрерывным, лучше всего строить несколько биогазовых установок, а субстрат в ферментаторы закладывать с разницей во времени. Такие установки работают параллельно, а сырье в них загружают последовательно.

Это гарантирует постоянную выработку газа, благодаря чему можно добиться его непрерывного поступления к бытовым приборам.

Самодельное биогазовое оборудование, собранное из подручных материалов, обходится гораздо дешевле установок промышленного производства. Его эффективность ниже, но вполне соответствует вложенным средствам. Если есть доступ к навозу и желание приложить собственные усилия для сборки и обслуживания конструкции, это очень выгодно.

Этапы получения и переработки отходов

Процесс производства проходит в 4 этапа.

1. Сначала микроорганизмы перерабатывают высокомолекулярные соединения, превращая их в низкомолекулярные. Полимеры становятся мономерами. Данный процесс протекает довольно медленно, на его скорость во многом влияет кислотно-щелочной баланс среды.
2. На следующем этапе образуются кислоты. Некоторые молекулы попадают в клетки микроорганизмов, и там продолжается их разложение. Сначала происходит выработка карбоновых кислот, а также некоторых газов: сероводорода, аммиака, углекислого газа.
3. На третьем этапе образуются вещества, необходимые для появления метана. Это углерод, его двуокись, а также уксусная кислота.
4. И завершается переработка навоза в биогаз образованием самого метана. При этом появляются и побочные продукты – углекислый газ и вода.