Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, когда налицо известные трудности с традиционными видами топлива (уголь, нефтепродукты и т. п.), а о стоимости их и говорить не приходится, биогаз если не полностью, то хотя бы частично обеспечит потребности сельских жителей, владельцев дачных и садовых участков в топливе. Кроме того, при переработке отходов с целью производства биогаза эти отходы полностью идут в дело, в результате не только улучшается санитарное состояние территории, уничтожаются возбудители инфекционных заболеваний, исчезает неприятный запах гниющих растений, гибнут семена сорняков, но и образуются ценнейшие высококачественные органические удобрения, обладающие повышенным гумусным потенциалом.

Но чтобы каждый желающий мог соорудить на своем подворье простейшую биогазовую установку собственными руками, полезно иметь представление об основных особенностях технологии получения биогаза из органических отходов, а также о факторах, влияющих на производительность биогазовых установок, и о конструкции этих установок.

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

Получение биогаза из органических отходов основано на свойстве последних выделять горючий газ в результате так называемого «метанового сбраживания» в анаэробных (без доступа воздуха) условиях. Биогаз, образующийся при метановом сбраживании, представляет собой смесь, состоящую из 50...80% метана, 20...50% углекислого газа, примерно 1 % сероводорода, а также включающую в себя незначительное количество некоторых других газов (азота, кислорода, водорода, аммиака, закиси углерода и др.). Напомним, что 1 м³ метана при сгорании выделяет энергию, равную примерно 20...25 МДж.

В свою очередь, «метановое сбраживание» происходит при разложении органических веществ в результате жизнедеятельности двух основных групп микроорганизмов. Одна группа микроорганизмов, обычно называемая кислотообразующими бактериями, или бродильными микроорганизмами, расщепляет сложные органические соединения (клетчатку, белки, жиры и др.) в более простые, при этом в сбраживаемой среде появляются первичные продукты брожения -- летучие жирные кислоты, низшие спирты, водород, окись углерода, уксусная и муравьиная кислоты и др. Эти менее сложные органические вещества являются источником питания для второй группы бактерий -- метанообразующих, которые превращают органические кислоты в требуемый метан, а также углекислый газ и др.

В этом сложном комплексе превращений участвует великое множество микроорганизмов, по некоторым данным -- до тысячи видов, но главное из них все-таки метанообразующие бактерии. Отметим, что метанообразующие бактерии значительно медленнее размножаются и более чувствительны к изменениям окружающей среды, чем кислотообразующие микроорганизмы-бродильщики, поэтому вначале в сбраживаемой среде накапливаются летучие кислоты, а первую стадию метанового сбраживания называют кислотной. Потом скорости образования и переработки кислот выравниваются, так что в дальнейшем разложение субстрата и образование газа идут одновременно. И естественно, от условий, которые создаются для жизнедеятельности метанообразующих бактерий, зависит интенсивность газовыделения.

Как кислотообразующие, так и метанообразующие бактерии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. Считается, что в навозе крупного рогатого скота имеется полный набор микроорганизмов, необходимых для его сбраживания. И подтверждением этому является то, что в рубце и кишечнике жвачных животных постоянно идет процесс метанообразования. Следовательно, нет необходимости применять для получения биогаза чистые культуры метанообразующих бактерий для того, чтобы вызвать процесс брожения. Достаточно лишь обеспечить для уже имеющихся в субстрате бактерий подходящие условия для их жизнедеятельности.

Для создания таких условий органические отходы сбраживают в специальных бродильных камерах (биореакторах), где поддерживают строго анаэробную среду, а также соответствующие температурный и кислотный (рН) режимы, давление и другие необходимые условия.

А теперь, прежде чем перейти к рассмотрению различных конструкций биогазовых установок, остановимся коротко на основных факторах, влияющих на эффективность работы (производительность) подобных установок. Знание этих факторов просто обязательно, так как только оно позволит сделать биоустановку понастоящему рентабельной и не превратит работу по получению столь необходимого газа в бесполезное перелопачивание навоза.

Для эффективной работы установки, производящей биогаз, кроме строго анаэробной среды, придется соблюдать ряд требований. Во-первых, поддерживать в реакторе оптимальные температурный и кислотный режимы. Во-вторых, постоянно следить за наличием питательных веществ в сбраживаемой среде, обеспечивая низкое содержание в данной среде веществ-ингибиторов, то есть веществ, препятствующих жизнедеятельности микроорганизмов.

Вообще-то образование метана идет в достаточно широком интервале температур (8...60° С), при этом при определенных температурах в процессе сбраживания участвуют определенные виды бактерий.

Обычно различают три характерных уровня температур, предпочтительных для отдельных видов бактерий. Психрофильный режим идет при температуре 8...20° С, мезофильный -- при 25...40° С, термофильный -- при 45...60° С. Более производительны термофильный и мезофильный режимы сбраживания, однако все три режима имеют как свои преимущества, так и недостатки. Режимы с более высокими температурами требуют больших затрат энергии на поддержание оптимальной температуры, зато здесь благодаря сокращению продолжительности сбраживания удается значительно сократить объем биореактора и таким образом увеличить производительность биогазовой установки. Однако часто поддержание в биомассе высоких температур на практике связано с большими затратами энергии на обогрев и термоизоляцию биореакторов, что в свою очередь значительно удорожает процесс получения биогаза. Так, стоимость энергии, необходимой для подогрева содержимого бродильной камеры при термофильном сбраживании, настолько велика, что перевешивает всякие выгоды, связанные с более быстрым, чем в других случаях, сбраживанием. Отсюда следует, что в условиях домашнего хозяйства практическое значение имеет только мезофильное (25...40° С) или психрофильное (8...20⁰ С) метановое сбраживание. (О способах обеспечения соответствующих температурных режимов этих способов сбраживания будет рассказано ниже.)

Для нормального протекания брожения необходима слабощелочная реакция среды (рН=7...8). При оптимальной (ровной) активности кислотообразующих и метановых бактерий (то есть при установившемся процессе брожения) значение рН поддерживается в желательных пределах «автоматически». Однако иногда кислотообразующие бактерии начинают размножаться быстрее, чем метановые, из-за чего концентрация летучих жирных кислот в бродильной камере возрастает и происходит так называемое «закисление», в результате чего выход биогаза снижается, а кислотность биомассы увеличивается. В этом случае в содержимое биореактора следует добавить горячую воду, известковое молоко, соду. При нарушении баланса между азотом и углеродом его восстанавливают добавлением в биомассу коровьей мочи.

Основой беспрепятственного размножения анаэробных бактерий служит, естественно, наличие питательных веществ в сбраживаемой среде. И почти все питательные вещества, необходимые для роста метановых бактерий, содержат экскременты животных, являющиеся основным сырьем для производства биогаза. Разнообразие видового состава метанообразующих бактерий позволяет использовать практически все виды жидких и твердых органических отходов. Но лучшая органическая масса для получения биогаза -- навоз крупного рогатого скота в смеси с растительными остатками (влажность биомассы не менее 85...90%).

Сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Не способствуют «работе» микроорганизмов и некоторые неорганические вещества, поэтому нельзя, например, использовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стирки белья синтетическими моющими средствами.

Выработка биогаза зависит и от многих других причин. Например, на поверхности органической массы периодически образуется плавающая корка, мешающая выходу биогаза. Поэтому ее необходимо устранять, перемешивая содержимое биореактора 1...2 раза в сутки. Перемешивание способствует также равномерному распределению температуры и кислотности в биомассе, находящейся в камере сбраживания.

Для полного разложения органического вещества, как правило, необходимо длительное время. При этом продолжительность сбраживания, учитывая присущую данному виду отходов скорость разложения, зависит от требуемой степени разложения органического вещества. Обычно максимальный выход биогаза и лучшие по качеству удобрения наблюдаются при разложении органического вещества (навоза) до 30...33%. Заметим, что при пребывании биомассы в биореакторе в течение 14...15 дней полнота ее разложения составляет 25%.

При непрерывном способе сбраживания, когда выгрузка определенного объема «отработавшего» в реакторе органического вещества происходит одновременно с загрузкой такого же объема свежего материала, выделяется наибольшее количество биогаза. И при такой организации процесса для малогабаритных биогазовых установок в приусадебных хозяйствах доза ежесуточной загрузки обычно не превышает 4...5% полезного объема камеры сбраживания.

ГЛАВА 2. РАЗНОВИДНОСТИ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Установки для производства биогаза из органических отходов обычно подразделяют на четыре основных типа:

* без подвода тепла и без перемешивания сбраживаемой биомассы;

* без подвода тепла, но с перемешиванием сбраживаемой биомассы;

* с подводом тепла и с перемешиванием биомассы;

* с подводом тепла, с перемешиванием биомассы и со средствами контроля и управления процессом сбраживания.

Понятно, что обязательные компоненты биогазовой установки -- сам биореактор и газгольдер для сбора биогаза, ну а устройства для подогрева биомассы, ее перемешивания, а также средства контроля -- вещи весьма полезные, но можно обойтись и без них.

БИОРЕАКТОР

Биореактор -- основа любой биогазовой установки, и к его конструкции предъявляются достаточно жесткие требования. Так, корпус биореактора должен быть достаточно прочен при абсолютной герметичности его стенок. Обязательны хорошая теплоизоляция стенок и их способность надежно противостоять коррозии. При этом необходимо предусмотреть возможность загрузки и опорожнения реактора, а также доступ к его внутреннему пространству для обслуживания.

Формы реакторов весьма разнообразны. Так,с точки зрения создания наиболее благоприятных условий для перемешивания жидкого субстрата, накапливания газа, отвода осадков и разрушения образующейся корки представляется целесообразным использование резервуара, формой напоминающего яйцо (рис. 1, а). Крупные реакторы такой формы обычно сооружают из бетона, поэтому для них характерна высокая стоимость изготовления, что существенно ограничивает их применение. Зато подобные реакторы меньших объемов достаточно несложно выполнить из стеклопластика, то есть из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном, и обходятся они не так уж и дорого.

Для цилиндрического резервуара с конусными верхней и нижней частями [рис. 1, б), как и для яйцеобразного, характерны небольшое пространство для накопления газа, ограниченный объем плавающей корки, а также хороший отвод шлама. Однако в подобных реакторах создаются менее благоприятные условия для перемещения жидкого субстрата. Резервуары большого объема такой формы, используемые в коммунальных установках для очистки и разложения стоков, как и реакторы в форме яйца, изготовляют из бетона. Однако «цилиндрические» реакторы несколько дешевле. В индивидуальных хозяйствах реакторы вышеуказанной формы, но, естественно, меньшей вместимости, делают из стали или из стеклопластика. Кстати, у последних легче достичь лучших условий перемещения субстрата.

Цилиндрические резервуары (рис. 1, в) относительно просты в изготовлении, что объясняется обширным опытом строительства емкостей для сельскохозяйственных целей (стальные, бетонные, стеклопластиковые цистерны-бункера для силоса и других кормов). Однако по сравнению с резервуарами предыдущих форм в цилиндрическом резервуаре невозможно организовать достаточно хорошие условия для перемещения субстрата, при этом здесь приходится считаться с более высокими затратами на удаление осадка и разрушение плавающей корки, что связано с увеличением расхода энергии на перемешивание массы.

Если резервуар цилиндрической формы разделить поперечной вертикальной перегородкой на две камеры, то можно организовать систему получения биогаза с поочередным использованием камер резервуара (рис. 1, г). Причем затраты на строительство резервуара с перегородкой обойдутся дешевле, чем сооружение двух отдельных резервуаров. Заметим также, что при такой компоновке уменьшается значение теплоизоляции наружных стенок резервуара, а в перегородку, выполняемую из достаточно теплопроводного материала, не очень сложно встроить какое-либо нагревательное устройство, что придаст установке дополнительные конструктивные и энергетические выгоды.

В простых большей частью небольших биогазовых установках, сооружаемых собственными силами, обычно бродильная камера имеет форму параллелепипеда (бассейн или яма с крышкой). Для повышения эффективности такой реактор перегораживают вертикальной стенкой, создавая главную бродильную камеру и камеру для окончательного сбраживания и осаждения шлама (рис. 1, д). Правда, установки подобного типа не позволяют достичь высокой степени разложения субстрата, так как в них практически невозможно обеспечить ни равномерное перемешивание массы, ни управление загрузкой рабочего объема камеры, ни соблюдение времени пребывания массы в реакторе, что необходимо для получения максимального количества газа. Да и разрушение плавающей корки и осадка связано здесь с большими затратами.

В горизонтально расположенном резервуаре субстрат перемещается в продольном направлении. Здесь для небольших установок пригодны цилиндрические реакторы из стали или стеклопластика. «Горизонтальные» резервуары значительной вместимости имеют форму параллелепипеда, и выполняют их из бетона.

Наклонное расположение таких резервуаров (рис. 1, е) облегчает стекание шлама к выгрузному отверстию. Такая конструкция удобна для размещения простейшего перемешивающего механизма.

Резервуар в виде вырытой в грунте траншеи (рис. 1, ж) позволяет обрабатывать большие количества субстрата. В качестве строительного материала для стенок реактора используют, как правило, бетон.

Все большее распространение получают траншейные биогазовые установки, принципиальная схема которых приведена на рис. 1, ж. Возьмем, например, траншейную установку из ФРГ. Здесь прямо из помещения, где содержат животных, навоз, разведенный водой, идет в биореактор, в котором сбраживается. В установке предусмотрены механическое перемешивание субстрата и грейфер для погрузки сброженного навоза (рис. 3).

В траншейной установке (США), приведенной на рис. 4, свежий жидкий навоз поступает в бродильную камеру сверху, а подогретая вода -- снизу. Газосборник установки эластичный, а на поверхности сбраживаемого субстрата для теплоизоляции расположены пенопластовые плиты.

Обратим еще внимание читателей на эластичные реакторы, обычно используемые в странах Юго-Восточной Азии. Подобные реакторы (емкости) делают из плотной прорезиненной ткани или из синтетической пленки. Для организации работы таких биореакторов их приходится либо заглублять в грунт (рис. 5), либо помещать внутри достаточно прочного «кругового» ограждения.

Глава 3. НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА БИОГАЗОВЫХ РЕАКТОРОВ

Чтобы обеспечить необходимую для процесса брожения температуру и по возможности поддерживать ее на постоянном уровне, подаваемый в реактор субстрат приходится подогревать до нужной температуры, зависящей от выбранного режима сбраживания. При этом, конечно, подогревать необходимо с некоторым «избытком», чтобы компенсировать тепловые потери через стенки реактора в окружающую среду.

В принципе субстрат можно подогревать или в рабочем пространстве, или в устройстве, питающем установку субстратом. А поскольку резкие перепады температуры отрицательно влияют на ход процесса, необходимо по возможности сочетать подогрев субстрата с интенсивным его перемешиванием.

Для небольших реакторов с перемешивающими устройствами для обеспечения необходимой температуры субстрата вполне подходят доступные теплообменные нагревательные устройства, например, шланги (рис. 6), плоские теплообменники, через которые прокачивают горячую воду (температура воды не выше 60° С). Такие теплообменники при очистке реактора приходится из него вынимать.

Нагреватели, встроенные в стенки реактора, целесообразны лишь в том случае, если эти стенки будут находиться внутри субстрата, как это происходит в двухкамерном реакторе с внутренней перегородкой (см. рис. 1,г; 1,д; 2).

Кроме того, подогрев субстрата осуществляют и непосредственно теплоносителем, подавая в субстрат горячую воду (см. рис. 4) или даже пар. Поскольку вода одновременно необходима для разбавления загружаемого субстрата, в котором содержится значительное количество твердых частиц, этот метод часто достаточно эффективен.

Подогрев субстрата подачей в последний пара под давлением ведет к повышению содержания влаги в получаемом газе. Поэтому в данном случае перед использованием газ приходится «подсушивать» в специальных установках. Однако при наличии биореакторов, например,характерных для коммунальных хозяйств, занимающихся очисткой стоков, этот способ подогрева выгоден, так как здесь пар -- самый эффективный теплоноситель.

Повышают температуру субстрата также с помощью теплообменников, расположенных вне реактора. Однако внешний обогрев следует применять только в сочетании с системой принудительной циркуляции субстрата, что хотя и влечет за собой соответствующее повышение затрат, но позволяет надежно поддерживать нужную температуру брожения. При этом благодаря одновременному подогреву и перемешиванию свежего и циркулирующего субстратов разница между температурами поступающего в камеру и уже имеющегося там субстрата будет незначительной, что очень важно. Кроме того, при перемешивании субстрата предотвращается скопление твердого осадка на поверхности теплообменника. И, наконец, расположение теплообменников вне рабочего пространства реактора значительно облегчает доступ к ним для обслуживания и ремонта.

При постоянном перемешивании субстрата осуществляется равномерное распределение в жидкости находящихся в ней твердых веществ, различающихся по размеру, форме и плотности, что служит предпосылкой беспрепятственного и эффективного протекания процесса брожения.

Механические мешалки. Подобные мешалки достаточно эффективны в небольших реакторах при переработке тяжелых субстратов. Однако если используются субстраты с малой вязкостью, да к тому же содержащие мало веществ, склонные к осаждению или образованию плавающей корки, то механические перемешивающие устройства применяют и в относительно крупных реакторах.

Конечно, механические мешалки наиболее практичны для простых небольших биогазовых установок, используемых в индивидуальных хозяйствах. В качестве такой мешалки может служить, например, обычный вал с лопатками, приводящийся в движение «от руки».

Гидравлические перемешивающие системы. Содержимое крупных реакторов, особенно цилиндрической формы, часто перемешивают гидравлическим способом, то есть с помощью потоков (струй) жидкости, поступающей в реактор.

Перемешивание с помощью газа. Хорошее качество перемешивания получают, нагнетая образующийся в результате брожения газ в жидкий субстрат. Однако при этом субстрат не должен быть слишком вязким и склонным к образованию плавающей корки. Если этими качествами субстрат не обладает, при использовании газа придется непрерывно удалять из субстрата всплывающие частицы или отделять крупные твердые частицы от субстрата перед поступлением его в реактор.

Для нормального функционирования газовых нагревательных приборов в хозяйстве объем газа, вырабатываемого биогазовой установкой, в идеале должен соответствовать объему газа, расходуемого потребителем в каждый данный момент. Но очевидно, что на практике такого соответствия добиться невозможно и обычно объем газа используемого либо больше, либо меньше объема газа производимого. Поэтому, чтобы рационально применять биогаз в хозяйстве, необходимо предусмотреть аккумулирование («собирание») газа в специальной емкости, называемой газгольдером.

Вообще-то аккумулирование газа -- дело не новое и в коммунальных сетях газоснабжения служит с давних пор для выравнивания колебаний (пиков) потребления газа, различий в его качестве, а также отклонений фактической производительности газовых установок от расчетной по каким-либо причинам.

Все это, разумеется, справедливо и для биогазовых установок. Так, пики в потреблении газа могут возникать:

* на протяжении суток (в полдень и вечером -- во время обеда и ужина);

* в течение недели (в дни с особенно большой потребностью в горячей воде, например, для стирки и мытья);

* в различные периоды года (во время консервирования овощей и фруктов, сушки сельскохозяйственных продуктов, в течение отопительного сезона в холодное время года).

Поэтому ясно, что газгольдеры к биогазовым установкам просто необходимы. Ниже приводятся основные варианты газгольдеров, как известные из практики коммунального снабжения природным газом, так и из опыта использования биогазовых установок.

Мокрый газгольдер низкого давления колокольного типа. В газгольдерах подобного типа газ скапливается под колоколом (колпаком), края которого погружены в жидкость, образуя гидравлический затвор. На рис. 7 приведен газгольдер, края колокола которого погружены в воду. Давление газа под колоколом определяется весом жидкости, вытесненной из-под колокола газом или весом самого колокола, если последний плавает в жидкости, и в таких газгольдерах не превышает 5 кПа.

В настоящее время практически все эксплуатируемые в Восточной Азии простейшие биогазовые установки оснащены такими мокрыми газгольдерами с колпаками, которые обычно располагаются (плавают) непосредственно в бродильной камере в самом жидком навозе. Небольшие потери газа по периферии колокола не играют роли. Недостаток этих газгольдеров в наших условиях -- опасность замораживания субстрата зимой, что вызывает необходимость в отоплении резервуара биогазовой установки.

Сухой газгольдер низкого давления. Для создания в таком газгольдере постоянного давления в корпусе последнего предусмотрена уплотняющая манжета, на которую постоянно давит груз, подвешенный через блоки на тросиках. Так что, когда количество газа в резервуаре уменьшается и давление в нем падает, груз опускается, поддерживая нужное давление (рис. 8). В сухом газгольдере рабочее давление обычно составляет 2...5 кПа. Кстати, в отличие от мокрого (водяного) газгольдера сухому газгольдеру массивный фундамент не требуется, а основание газгольдера легко герметизировать с помощью какой-либо синтетической пленки, поэтому в среднем сооружение такого газгольдера обходится примерно на 20% дешевле, чем мокрого.

Оболочковый газгольдер низкого давления. В качестве емкости для газа здесь служит герметическая оболочка (подушка). Груз, подвешенный через блоки на тросиках, постоянно давит на подушку, создавая в ней соответствующее давление газа. Отметим,что такая конструкция газгольдера требует устройства фундаментной плиты достаточной прочности. Для защиты от повреждений газгольдер помещают в специальный кожух (рис. 9).

Оболочковые газгольдеры широко применяются в установках для очистки городских стоков.

Стоимость используемых в настоящее время газгольдеров номинальной вмести мостью до 200 м³ (такие газгольдеры чаще всего применяются в принадлежащих фермерским хозяйствам биогазовых установках) исключительно высока и составляет 20...30% стоимости всей установки. Поэтому, исходя из экономических соображений, газгольдер выгодно использовать только для выравнивания суточных пиков в потреблении газа, то есть не следует строить газгольдер больших размеров, а лучше попытаться обеспечить, например, с помощью рационального подбора газопотребляющей аппаратуры возможно более равномерное (без пиков) потребление газа.

С другой стороны, приходится искать новые конструктивные решения, позволившие бы снизить затраты на сооружение и обслуживание газгольдеров, что особенно необходимо для установок небольших размеров.

С точки зрения первого фактора (нагрузок) простейшие колпаки из пленки (рис. 10) имеют некоторые недостатки. Так, при отсутствии газа (в начале работы, в случае повреждения пленки) они опускаются на поверхность навоза, а при сильном ливне на пленке может скопиться большое количество воды. Однако, с другой стороны, большие надувные сооружения при избыточном давлении газа примерно 0,3 кПа надежно противостоят даже сильному ветру. (Для создания давления газа на колпак укладывают груз.)

Защитные колпаки (рис. 11) обычно используют для укрывания навозохранилищ и осветителей городских стоков с целью предотвращения распространения запаха. Отметим, что несущая часть конструкции находится снаружи емкости из пленки и таким образом защищена от агрессивной внутренней среды.

Что касается газгольдеров -- простых пленочных мешков, то для получения в них соответствующего давления газа применяют ящики с камнями или гравием, устанавливаемые (на подвижной площадке) на сам мешок (рис. 12).

Использование биогаза и работа с ним

Прежде всего, чтобы выяснить, стоит ли связываться с биогазовой установкой, прикиньте, какое количество биогаза вам понадобится на нужды домашнего хозяйства, а также возможности того или другого вида навоза «выдавать» газ и ваши способности приобрести нужный запас этого навоза.

Известно, что средний выход биогаза из 1 кг органического сухого вещества навоза крупного рогатого скота составляет 200 л, свиного -- 300 л, птичьего помета -- 400л.

А ориентировочные данные по расходу биогаза в домашнем хозяйстве со средним составом семьи -- трое-четверо взрослых и один ребенок на жилой площади 120 м² -- приведены в таблице.

Данные по расходу биогаза в домашнем хозяйстве

биогаз органический отходы реактор оборудование

ИБГУ-1 предназначена для экологически чистой безотходной переработки органических отходов, образующихся на крестьянском подворье (навоз крупного и мелкого рогатого скота, свиней, помёт птицы, помёт пушных зверей, фекалии человека, пищевые и твёрдые бытовые отходы), с получением газообразного топлива - биогаза и экологически чистых органических удобрений, лишённых патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, нитритов и нитратов, специфических фекальных запахов.

В процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органических отходов образуются экологически чистые, жидкие, высокоэффективные органические удобрения. Эти удобрения содержат минерализованный азот в виде солей аммония (наиболее легко усвояемая форма азота), минерализованные фосфор, калий и другие, необходимые для растения биогенные макро- и микроэлементы, биологически активные вещества, витамины, аминокислоты, гуминоподобные соединения, структурирующие почву.

Индивидуальная биогазовая установка ИБГУ-1. На переднем плане - газгольдер, на дальнем - биореактор.

Одна тонна таких удобрений по своему эффекту на растение эквивалентна 80-100 т исходного навоза или других органических веществ.

Суточный объём обрабатываемых отходов может колебаться от 50 до 200 кг при влажности не менее 85% и не более 93%.

Суточный объём выделяемого биогаза, в зависимости от объёма загружаемого сырья, колеблется от 3 до 12 м3 с содержанием 55-60% метана, 45-35% углекислого газа и полным отсутствием сероводорода. 1 м3 биогаза эквивалентен 0,6 м3 природного газа, 0,7 литрам мазута, 0,4 л бензина, 3,5 кг дров, 12 кг навозных брикетов.

Влажность загружаемого сырья не должна быть менее 85% и более 93%.

В качестве сырья для непрерывной работы установки с целью получения биогаза и удобрений можно использовать все органические отходы растительного и животного происхождения, накапливающиеся на крестьянском подворье:

· навоз крупного рогатого скота от двух голов (50-60 кг) до шести голов (200 кг в сутки), навоз мелкого рогатого скота и свиней от 20 до 60 голов, помёт птицы от 200 до 600 голов;

· растительные остатки - ботва, травянистые растения, солома, стебли кукурузы, подсолнечника и т.п.;

· твёрдые бытовые отходы - бумага, картон, текстиль, пищевые отходы.

Состав оборудования:

В комплект индивидуальной биогазовой установки ИБГУ-1 входят:

· биореактор-метантенк объёмом 2,2 м3;

· газгольдер мокрого типа объёмом 3 м3;

· лестница-эстакада;

· ковш-тележка;

· ручной подъёмник (таль);

· бак для хранения удобрений.

Комплект ИБГУ-1 производится серийно в полной заводской готовности, транспортируется на одном КАМАЗе с полуприцепом и рассчитан на эксплуатацию в любых климатических зонах. При экстремальных минусовых температурах окружающей среды с целью уменьшения теплопотерь и удобства эксплуатации биореактор рекомендуется размещать в помещении.

Выпущено и реализовано: в России 55 комплектов, в Казахстане - 10.

В Северном варианте (с теплоизоляцией из пенополиуретана) изготовлено 5 комплектов на Юргинском машиностроительном заводе (г.Юрга, Кемеровской обл.).

Отдельные случаи использования примитивных биогазовых технологий были зафиксированы в Китае, Индии, Ассирии и Персии начиная с XVII века до нашей эры. Однако систематические научные исследования биогаза начались только в XVIII веке нашей эры, спустя почти 3,5 тысячи лет.

В 1764 году Бенджамин Франклин в своем письме Джозефу Пристли описал эксперимент, в ходе которого он смог поджечь поверхность мелкого заболоченного озера в Нью Джерси, США.

Первое научное обоснование образования воспламеняющихся газов в болотах и озерных отложениях дал Александр Вольта в 1776 г., установив наличие метана в болотном газе. После открытия химической формулы метана Дальтоном в 1804 году, европейскими учеными были сделаны первые шаги в исследованиях практического применения биогаза.

Свой вклад в изучение образования биогаза внесли и российские ученые. Влияние температуры на количество выделяемого газа изучил Попов в 1875 году. Он выяснил, что речные отложения начинают выделять биогаз при температуре около 6°С. С увеличением температуры до 50°С, количество выделяемого газа значительно увеличивалось, не меняясь по составу - 65% метана: 30% углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительное количество азота, кислорода, водорода и закиси углерода. В.Л. Омельянский детально исследовал природу анаэробного брожения и участвующие в нем бактерии.

Вскоре после этого, в 1881 году, начались опыты европейских ученых по использованию биогаза для обогрева помещений и освещения улиц. Начиная с 1895 года, уличные фонари в одном из районов города Эксетер снабжались газом, который получался в результате брожения сточных вод и собирался в закрытые емкости. Двумя годами позже появилось сообщение о получении биогаза в Бомбее, где газ собирался в коллектор и использовался в качестве моторного топлива в различных двигателях.

В начале XX века были продолжены исследования в области повышения количества биогаза путем увеличения температуры брожения. Немецкие ученые Имхофф и Бланк в 1914-1921 гг. запатентовали ряд нововведений, которые заключались во введении постоянного подогрева емкостей. В период Первой мировой войны началось распространение биогазовых установок по Европе, связанное с дефицитом топлива. Хозяйства, где имелись такие установки, находились в более благоприятных условиях, хотя установки были еще несовершенные и в них использовались далеко не оптимальные режимы.

Одним из важнейших научных шагов в истории развития биогазовых технологий являются успешные эксперименты Бусвелла по комбинированию различных видов органических отходов с навозом в качестве сырья в 30-х годах XX столетия.

Первый крупномасштабный завод по производству биогаза был построен в 1911 году в английском городе Бирмингеме и использовался для обеззараживания осадка сточных вод этого города. Вырабатываемый биогаз использовался для производства электроэнергии. Таким образом, английские ученые являются пионерами практического применения новой технологии. Уже к 1920 году они разработали несколько типов установок для переработки сточных вод. Первая биогазовая установка для переработки твердых отходов объемом 10 м³ была разработана Неманом и Дюселье и построена в Алжире в 1938 году.

В годы Второй мировой войны, когда энергоносителей катастрофически не хватало, в Германии и франции был сделан акцент на получение биогаза из навоза. Во Франции к середине 40-х годов эксплуатировалось около 2 тыс. биогазовых установок для переработки навоза. Вполне естественно, этот опыт распространялся на соседние страны. В Венгрии существовали установки для производства биогаза. Это отмечают солдаты Советской Армии в основном, выходцы из сельских районов СССР, освобождавшие Венгрию от немецких войск и удивлявшиеся, что в крестьянских хозяйствах навоз скота не лежал в кучах, а загружался в закрытые емкости, откуда получали горючий газ.

Европейские установки довоенного периода не выдержали конкуренции в послевоенное время со стороны дешевых энергоносителей (жидкое топливо, природный газ, электроэнергия) и были демонтированы. Новым импульсом для их развития на новой основе стал энергетический кризис 70-х годов, когда началось стихийное внедрение биогазовых установок в странах юго-восточной Азии. Высокая плотность населения и интенсивное использование всех пригодных для возделывания сельскохозяйственных культур площадей земли, а также достаточно теплый климат, необходимый для использования биогазовых установок в самом простом варианте - без искусственного подогрева сырья, легли в основу различных национальных и международных программ по внедрению биогазовых технологий.

Сегодня биогазовые технологии стали стандартом очистки сточных вод и переработки сельскохозяйственных и твердых отходов и используются в большинстве стран мира.

Увеличивающиеся выбросы парниковых газов, увеличение потребления воды и ее загрязнение, снижающееся плодородие земель, неэффективная утилизация отходов и растущие проблемы с обезлесиванием являются частями неустойчивой системы использования природных ресурсов по всему миру. Биогазовые технологии являются одним из важных компонентов в цепи мер по борьбе с вышеуказанными проблемами. Прогноз роста вклада биомассы как источника возобновляемой энергии в мире пред полагает достижение 23,8% от общего потребления энергии к 2040 году, а к 2010-му страны ЕС планируют увеличить этот вклад до 12%.

Стабильная ежедневная работа биогазовой установки требует высокого уровня дисциплины обслуживающего персонала для получения высоких объемов биогаза и биоудобрений и долгой службы установки. Многие проблемы случаются из-за ошибок в эксплуатации. Часто такие проблемы могут быть сведены к минимуму путем:

* выбора простой конструкции установки, адаптированной к местным климатическим условиям и имеющемуся сырью;

* использования высококачественных материалов и приборов;

* хорошего обучения персонала и получения консультаций профессионалов по эксплуатации установки.

Подготовка к запуску

Этап подготовки включает в себя проверку герметичности реактора и газовой системы. Для этого к газовой системе подключаются водяной манометр, перекрываются все краны с тем, чтобы избыточное давление воздуха в реакторе можно было измерить манометром.

Для этого реактор заполняется водой до рабочего уровня. Избыточный воздух будет вытесняться через предохранительный клапан. После этого фиксируют показания манометра и оставляют заполненный водой реактор на сутки. Если по истечении суток показание манометра не изменилось или изменилось незначительно, то можно считать, что газовая система и реактор обладают достаточной герметичностью. При потере давления в реакторе и газовой системе необходимо отыскать и устранить течь.

Работы по пуску биогазовой установки могут быть начаты только тогда, когда установка в целом и ее элементы будут признаны пригодными к эксплуатации и соответствовать требованиям безопасной эксплуатации.

Размещено на Allbest.ru