Рассматривая альтернативные источники энергетического обеспечения жизнедеятельности, хочется рассказать о теории и практике генерации биогаза в бытовых условиях. Конечно же в квартире, это применить маловероятно и не целесообразно, но вот в домашнем хозяйстве индивидуального дома, такую технологию применить вполне реально.

На подворье любого частного хозяйства можно использовать не только энергию ветра, солнца, но и генерировать биогаз для нужд хозяйства. Биогаз - газообразное топливо, продукт анаэробного микро-биологического разложения органических веществ. То есть, процесс анаэробного брожения - биологический процесс. Он существуют сам по себе и в природных условиях: во-первых, в желудках животных организмов нашей планеты, а во-вторых, в толще грунта или на дне водоемов, где затруднен доступ кислорода. Технология получения газа экологически чистый, безотходный способ переработки, утилизации и обеззараживания разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения.

Сырьем для получения биогаза является обыкновенный навоз, помёт, листья, трава, в общем, любой органический мусор: ботва, пищевые отходы, опавшие листья, опилки, отходы жизнедеятельности человека. Биогаз получается из биомассы, в том числе и из растительной. Поэтому сроки окупаемости устройств для получения биогаза (биогазовых установок или БГУ) могут иметь тот же порядок, что и сроки окупаемости других устройств альтернативной энергетики.

Основная полезная особенность - это ГАЗ

Получаемый газ - это метан, результат жизнедеятельности метановых бактерий. Из метана, его еще называют болотным или рудничным газом, на 90-98% состоит природный газ, который традиционно используется в быту. Биогаз, как и биоэтанол, производится с использованием биологических преобразований. В процессе этих преобразований биомасса разлагается как на энергетический продукт (биогаз, спирт), так и на органические отходы. В случае с получением биоэтанола такие отходы непосредственно представляют вред для окружающей среды, и только после энергоемкой переработки (сушки и измельчения) могут быть использованы в качестве корма для скота. При производстве биогаза отход, который образуется (шлам биогазовой установки), может быть использован непосредственно без каких-либо дополнительных преобразований. Он представляет собой прекрасное высокоэффективное и экологически безопасное удобрение. Ценность этого удобрения настолько высока, что сравнима или даже превосходит ценность вырабатываемого биогаза. Поэтому при правильной утилизации всех выходных продуктов БГУ срок ее окупаемости может быть существенно ниже, чем у всех других устройств альтернативной энергетики.

Состав биогаза.

Биогаз преимущественно состоит из метана (CH4). Это тот же горючий газ, младший в ряду углеводородов, из которого преимущественно состоит так называемый «природный газ». Только в природном газе метана более 90%, а в биогазе – 45-75%. В жидкое состояние метан переходит при температуре -161,6ºC. Метан почти не растворим в воде. Метан легче воздуха. При комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении практически не вступает в химические реакции. Эти скучные цифры и факты понадобятся потом, чтобы развенчать некоторые заблуждения по поводу биогаза.

Второй значительный по объему компонент биогаза – углекислый газ (CO2). Это тот газ, который создает приятные пузырьки в газировке, пиве и шампанском. Он тяжелее воздуха. Он хорошо растворяется в холодной воде. При давлении больше 5,28 атм и комнатной температуре углекислота переходит в жидкое состояние. В биогазе содержится 25-55% углекислого газа.

Третий компонент биогаза – пары воды (H2O). Их количество зависит от температуры биогаза и условий его получения и хранения и составляет единицы процентов. Обычно биогаз осушают перед использованием.

Четвертый компонент биогаза, который часто присутствует в нем – сероводород (H2S). Его может содержаться в биогазе от 0 до 2%. Сероводород плохо растворяется в воде. При сжигании сероводорода получается сернистый газ (SO2). В большой концентрации сероводород разъедает металлы. Сернистый газ может служить источником получения серной кислоты

Пятый компонент биогаза – аммиак (NH3). Обычно его концентрация не превышает процента. Это тоже агрессивный газ.

Остальные компоненты присутствуют в биогазе в виде следов в доли процента – азот, кислород, водород. Они не оказывают существенного влияния на его свойства.

Биогазовая установка.

Если хозяйство у Вас маленькое, денег – кот наплакал, а применить передовые технологии переработки органических отходов очень хочется, то стоит для начала узнать принципы работы и изготовления примитивных биогазовых установок. Для облегчения этой задачи будут приведены примеры самых распространенных в мире конструкций малых биогазовых установок, некоторые из которых можно сделать буквально «на коленке».

Установка для получения газа очень проста в изготовлении. Нам нужна основная емкость, ее можно сварить самому либо использовать какую-то уже готовую это может быть все что угодно. По бокам емкости нужно установить теплоизоляцию, для использования установки в холодное время года. Сверху делаем пару люков. От одного из них присоединяем трубки для отвода газа. Для интенсивного процесса брожения и выделения газа, смесь нужно периодически перемешивать. Поэтому нужно установить приспособление для перемешивания. Далее газ нужно собрать и складировать либо использовать по назначению. Для сбора газа можно использовать обычную автомобильную камеру, а далее если имеется компрессор сжимать и закачивать в баллоны.

Принципиально, можно описать установку следующим образом: установка из подготовительной емкости для субстрата, системы подачи субстрата в реактор, утепленного реактора, системы поддержания температуры в реакторе, системы перемешивания субстрата в реакторе, системы слива субстрата из реактора, приемника шлама, газгольдера, системы вывода биогаза и подачи его потребителям, блока автоматики блока теплоснабжения. В результате получается не дешовая и сложная конструкция, но она способна функционировать круглый год.

Это очень эффективная установка и расчитана на беспрерывный цикл генерации газа, но давайте упростим её до  минимума. И так, для генерации газа нам нужна емкость, в которой будет бродить субстрат биомассы. Эта емкость должна быть устойчива к окислению, лучшим вариантом будет любая пластиковая емкость не менее 200 литров. Так же, эта емкость должна иметь способность герметично закупориваться, при этом обеспечивать беспрепятственный доступ, для загрузки и выгрузки биомассы и отработанного субстрата.

В этой емкости анаэробные бактерии будут разлагать биомассу и производить биогаз, в котором будет содержаться метан. Но для того чтобы они начали работать нужно ограничить их взаимодействие с кислородом, так как он угнетает их жизнедеятельность. Именно поэтому нужно создавать специальные установки, чтобы бактерии не контактировали с воздухом..

Если емкость будет 200-500 литров, система перемешивания биомассы нам врядли понадобится. Но нам понадобятся такие устройства, как охладитель, осушитель и очиститель газа, для этого в большей мере подойдет сухопарник или барботёр - устройство для пропускания через слой жидкости пузырьков газа или пара.

После этого нам понадобится шазгольдер - емкость для сбора и предварительного накопления сгенерированного газа.  Это может бытьлюбая эластичная емкость например, камеры от грузового и тракторного транспорта, большого объема, можно применить газгольдер в виде кузнечных мехов, на рычаг которых подвешен заданный груз. Так же могут подойти любые емкости из полиэтилена или брезента, главное чтобы они обеспечивали сбор газа и надежную герментичность для его сохранности. Из жтих накопителей. Также можно поставить фильтр сероводорода и счетчик газа.

Из газгольдера можно использовать газ подавая его напрямую к потребителям, а можно оснастить свою установку компрессором, который перекачивал бы сгенерированный газ в газовые балоны для пропана, ибо могут случиться периоды, когда нет возможности израсходовать прямо сейчас выработанный газ, а хранить такие накопления газа в быту, я бы не рекомендовал ни кому. Исходя из этого компрессор и несколько баллонов для сбора газа не помешают.

Ну вот в принципе и всё, что касается примитивной конструкции установки для генерации биогаза.

Кому выгодно строить биоустановки

Биоэнергетические установки выгодно строить, всем тем, у кого есть доступ для сбора, накопления и последующей переработки биомассы. Это могут быть владельцы индивидуальных домов, приусадебных и дачных хозяйств.

При отсутствии отходов можно выращивать энергетические растения: кукурузу, козлятник, рапс, многолетние травы, водоросли. Себестоимость при этом будет выше по сравнению с сырьем в виде навоза, но и полученного биогаза будет минимум в три раза больше, чем из навоза или помёта.

Биогаз можно использовать в бензогенераторах, как основное топливо и вырабатывать электричество. Обычная биогазовая установка производит больше электроэнергии, чем ей нужно, следовательно, излишки можно использовать на другие цели. Сама биогазовая система потребляет около 10-15% от производимой энергии в холодное время и 3-7% — в теплое. Тепло, получаемое от установки, можно использовать на обогрев теплиц, хозпостроек или жилища. В теплую погоду или при использовании искусственного подогрева установка может давать достаточно большое количество газа, около 8 м³/сут..

Вторая полезная особенность - БИОГУМУС.

В процессе работы биогазовой установки выделяется не только биогаз. Точнее сказать, не все поступающее в реактор биогазовой установки сырье превращается в биогаз. Во-первых, разложению подвергается только органическое сухое вещество. Такие составляющие субстрата, как вода и неорганические включения (песок, зола и пр.) выходят из реактора в неизменном виде. В биогаз, воду и минеральные соли превращается обычно 40-60% органического вещества. Глубина разложения редко превышает 80%. Соотношение органического сухого вещества к общей массе субстрата обычно составляет не более 10%, поэтому при добавлении свежего субстрата в реактор биогазовой установки из него выливается почти столько же шлама (переброженного субстрата), сколько залилось субстрата. Этот шлам (метановый эффлюент, метановая бражка) представляет собой прекрасное удобрение чисто органического происхождения. В процессе брожения субстрата в реакторе все потенциально вредные для окружающей среды факторы, присутствующие в исходном сырье, исчезают.

Из мусора в золото.

Неприятный запах в навозах и подобном сырье обуславливается ароматическими углеводородами и аммиаком. В процессе брожения ароматические углеводороды разлагаются, азот из аммонийной формы частично переходит в нитратную форму, уменьшая концентрацию аммиака. Поэтому шлам обычно имеет слабый запах печеного хлеба.

Зерна растений в процессе брожения обычно частично или полностью разлагаются, как минимум – разлагается их оболочка, поэтому они теряют всхожесть. То есть, шлам биогазовой установки уже не может быть источником сорняков после внесения в почву.

Яйца гельминтов (глистов) тоже разлагаются в процессе брожения в реакторе. Поэтому выходной шлам обеззаражен.

Практически все вредные для живых существ на Земле бактерии – аэробные. Для их размножения и существования нужен кислород. Внутри реактора созданы анаэробные условия. Поэтому все другие бактерии гибнут и служат пищей для анаэробных бактерий.

Попросту говоря, те бактерии, которые участвуют в процессе анаэробного брожения внутри реактора биогазовой установки, «съедают» любую органику, которая попадает в реактор, или хотя бы «надкусывают». Поэтому и разлагаются все живые организмы, изначально присутствующие в субстрате, а в шлам попадают только те бактерии, которые участвуют в процессе анаэробного брожения. Бактерии эти не представляют вреда для птиц и животных в обычных природных условиях, потому что обычно они живут с ними в симбиозе, находясь в кишечном тракте этих птиц и животных.

Итак, выходной шлам биогазовой установки состоит из воды, неорганических нерастворимых веществ, неорганических растворимых солей, среди которых преобладают соли, содержащие азот, фосфор и калий, частично разложенных органических соединений, среди которых есть такие полезные вещества, как гуминовые кислоты, фульвокислоты, различные витамины, и бактерий, которые обеспечивали процесс анаэробного брожения. Все эти составляющие, за исключением нерастворимых неорганических веществ, при внесении в почву обеспечивают питание для растений, ускоряют их рост, улучшают их сопротивляемость болезням. Факторов положительного воздействия таких органических удобрений, каким является шлам биогазовой установки, на рост растений так много, что их трудно описать полностью, а воздействие оказывается в комплексе. Каждый отдельный фактор не дал бы должного эффекта без других.

Полезные элементы для растений.

Растворимые неорганические соли – это фактически те же минеральные удобрения, только полученные природным органическим путем, а не синтезированные искусственно. Но эти соли физически связаны остатками органических веществ, имеющих коллоидную структуру (кисель), поэтому они не вымываются из почвы первым же дождем.

Гуминовые и фульвокислоты в сочетании с остатками органических веществ превращают (дают право называть) почву, в которую они внесены, гумусом.

Витамины действуют на рост растений, как биологически активные добавки, то есть, растения существенно быстрее и полнее усваивают минеральные растворимые соли, содержащие азот, фосфор, калий и другие, нужные для роста растений элементы.

Бактерии, участвовавшие в процессе анаэробного брожения внутри реактора биогазовой установки, будучи внесенными в почву, продолжают работать, хотя и менее интенсивно, чем в реакторе. В глубине почвы для них обеспечиваются болееменее анаэробные условия. Это бактерии, во-первых, продолжают разлагать другие болезнетворные бактерии, а во-вторых, разлагают имеющуюся в почве органику, вырабатывая питательные минеральные соли для растений. Этот процесс называют азотфиксацией. Это означает, что бактерии захватывают атомы азота (и не только) из окружающей среды, где они находились в виде, непригодном для усвоения растениями, и вставляют в минеральные соединения солей азота (и другие минеральные соли). То есть, внося эти бактерии в почву, мы вносим «кормильцев», которые преобразуют несъедобные для растений элементы почвы и воздуха в съедобные, тем самым регулярно питая растения.

БИОГУМУС.

Из-за таких свойств оздоровления, создания и поддержания почвенного слоя шлам биогазовой установки часто называют биогумусом. Особенно часто это название применяют для отсепарированного шлама, то есть отжатого до влажности 75%. Такой отжатый шлам по внешнему виду уже сам по себе напоминает слой плодородной почвы.

Нормативы внесения шлама в почву существенно меньше, чем исходного сырья. Если выразить нормативы внесения шлама в количествах азота, фосфора и калия, то они также будут ниже, чем подобные нормативы для внесения искусственно синтезированных минеральных удобрений.

Первое объясняется тем, что в процессе анаэробного брожения не происходит потерь азота из исходного сырья, а азот является основным строительным материалом для клеток. Органическое сырье, переработанное аэробным способом (практически все остальные способы, кроме брожения в биогазовой установке), обязательно потеряет азот в виде испарений аммиака, поэтому его всегда понадобится больше.

Второе объясняется тем, что минеральные соли в шламе связаны в коллоид остатками органики, они не вымываются сильно из почвы и поэтому более полно усваиваются растениями. Растения ведь не мгновенно поглощают питательные вещества, а лишь по мере своего роста. Кроме того, при избыточной концентрации питательных солей в почве, растения «втягивают» их внутрь себя вместе с влагой, но не успевают преобразовать их в органику, и эти соли находятся в растворенном виде в воде внутри растений. Отсюда и получаются продукты земледелия с повышенным содержанием нитратов, которыми можно отравиться при употреблении в пищу. Поэтому минеральные удобрения надо дозировать с разумным избытком (увы, не всегда это делают). Подача питательных минеральных солей из шлама дозируется автоматически, что обусловлено коллоидными свойствами шлама, а также постепенной выработкой таких солей бактериями, внесенными в почву из шлама.

Методы внесения в почву.

Методы внесения шлама в почву бывают различные, в зависимости от его влажности и типа выращиваемой культуры. Если шлам берется в исходном виде так, как он вышел из реактора биогазовой установки, то его обычно разбавляют водой с пропорции 1:10 – 1:50, а затем вносят методом полива. Первый полив удобно делать перед вспахиванием. Второй полив делается в период начала кущения. В этом случае поливать нужно как можно ближе к почве, прямо между стеблями растений. В случае разделения шлама сепаратором на жидкую и твердую фракции, жидкую фракцию вносят точно так же, разбавляя водой. Разбавление водой делается потому, что это удобрение - концентрированное. Чтобы обеспечить равномерное распределение его по всей посевной площади, не слишком уменьшая форсунки поливалок, и производится разбавление водой.

Твердая фракция, или биогумус, вносится методом разбрасывания, точно так же, как вносится перепревший навоз.

На фракции шлам разделяют по соображениям логистики. Если биогумус предназначен на продажу, то обычно покупатели могут находиться на весьма дальних расстояниях от биогазовой установки. Возить воду на такие расстояния – слишком дорого. Поэтому ее отжимают, иногда даже подсушивают полученный биогумус до влажности 40-60%, пакуют в мешки и везут к покупателю, магазину или удаленному месту применения.

---------------------------------------------------------

Литература (Скачать)

• Биогаз. Теория и практика - В.Баадер, Е.Доне, М.Бренндерфер, 1982 г.