Заодно с природой Биогаз: перейдем на свое топливо?

Традиционные виды топлива (уголь, нефтепродукты, газ) год от года дорожают. Как тут не задуматься над использованием других энергоносителей, в частности биогаза! Для производства этого горючего газа используется то, что принято называть сельскохозяйственными отходами: навоз, не нашедшая использования продукция растений, животные жиры и т. п. Но чтобы его получить, нужно соорудить биогазовую установку.

Работают микробы

Биогаз образуется в результате метановой ферментации биомассы (всего того, что образуют в процессе роста и развития животные и растения). Ферментация происходит под воздействием метаногенных микроорганизмов. В биогазовых установках как основное сырье используют навоз и навозную жижу. Биогаз из навоза крупного рогатого скота содержит 55— 75% метана, свиней — 70—80%, птицы — 60—80%. В составе биогаза есть также углекислый газ (25—45%), водород (1—3%), кислород (0,5—1%), сероводород и азот (1—5%).

Из навоза от одного животного крупного рогатого скота молочного направления можно получить за сутки до 1 м3 биогаза, скота мясного направления — 0,35 м3, теленка — 0,15 м3, свиноматки с приплодом — 1,3 м3, свиньи на откорме — 0,12—0,28 м3, птицы — 0,01 м.3

Ферментация основного сырья может происходить самостоятельно. Вспомогательное сырье — растительные отходы, органические продукты, остатки пищи и др. — добавляют в основное сырье с целью увеличения продуктивности биогазовой установки. Однако это требует резервуара больших размеров, а значит, дороже обойдется его сооружение. Кроме того, в установках для смешанной ферментации может образовываться пена. Правда, этот процесс можно предупредить, интенсивно перемешивая сырье или уменьшив долю в нем вспомогательного сырья.

Эффективная ферментация органического сырья проходит:

• в бескислородной атмосфере, которую можно создать в герметичных камерах (метантенках);
• в присутствии метаногенных микроорганизмов (Bacillus perfringens.), которые развиваются только в бескислородной среде при слабощелочной реакции ( рН 6—8) и температуре 6—70 °С. Эти бактерии прививают путем добавления в сбраживаемую массу уже ферментированного субстрата.

При температуре ниже 6 °С выделение метана прекращается. С повышением температуры скорость процесса и количество метана возрастают. Так, при температуре 30 °С выделение биогаза происходит в 12 раз быстрее, чем при 10 °С.

В комфортных условиях

Реакция ферментации происходит с выделением небольшого количества теплоты. Однако ее недостаточно для поддержания оптимальной температуры (30—35 °С) в зоне реакции. Для подогрева биомассы используют полученный в метантенке биогаз. При более высокой температуре реакция идет быстрее, однако на подогрев метантенков потребуется столько газа, что установка может быть неэффективной.

При низкой температуре окружающей среды теплоты от сжигания биогаза бывает недостаточно для успешного протекания реакции, поэтому резервуары метантенков должны иметь хорошую теплоизоляцию. Процесс ферментации весьма длительный. При температуре в метантенке 35—45 °С и прочих оптимальных условиях биомасса разлагается на 90—95% за 35—45 суток. Температуру биомассы нужно поднимать не более чем на 1 °С в сутки, иначе бактерии не успеют приспособиться к меняющимся условиям.

Внимание! Антибиотики, препараты защиты растений, попавшие в метантенк, могут приостановить работу бактерий по выработке метана.

Важным условием успешной ферментации биомассы является периодическое перемешивание, которое способствует выравниванию температуры по всему ее объему и предотвращает возникновение корки на ее поверхности. Для этого резервуары оборудуют мешалками. С этой целью можно также нагнетать в резервуар снизу биогаз, пузырьки которого хорошо перемешивают массу, разрушая корку на ее поверхности.

Техноварианты

Разработано три технологии получения биогаза: непрерывная, сменная и периодическая.

При непрерывной ферментации сырье в резервуар загружается постоянно или порциями (с небольшим перерывом). Одновременно подается свежая масса и идет отток перебродившей. Консистенция свежего сырья должна быть жидкой или полужидкой. Оптимальное соотношение — 90% воды и 10% сухого вещества. По такой технологии лучше всего перерабатывать навоз крупного рогатого скота, свиней и птицы.

При сменной ферментации несколько резервуаров по очереди заполняют сырьем. В заполненном резервуаре процесс брожения происходит от 8 недель до нескольких месяцев. Затем резервуар освобождают от сброженной массы, оставив в нем небольшое количество биошлама для прививки бактерий при последующей загрузке. Чем больше резервуаров, тем короче перерывы между циклами выработки газа. При этой технологии нет необходимости в тщательной подготовке сырья перед загрузкой, но она требует вложений. Поскольку наиболее дорогой частью биогазовой установки является резервуар-метантенк, то стоимость технологии весьма значительна.

Биошлам, оставшийся после сбраживания биосырья, — более ценное органическое удобрение, чем навоз. Питательные вещества из биошлама легче усваиваются растениями, он почти не имеет запаха. В нем практически нет или сильно угнетены болезнетворные бактерии и семена сорняков. Удобряя им почву, можно уменьшить затраты на химические средства подкормки и защиты растений.

Периодическая ферментация производится в одном резервуаре, который после окончания процесса сбраживания освобождают. По этой технологии сбраживают густое сырье (навоз). Такая установка значительно дешевле, чем установка для сменной ферментации, однако перерывы в получении газа более значительны.

Правила загрузки

Качество сырья, загружаемого в метантенк, должно отвечать следующим требованиям:

• в нем не должно быть токсичных веществ (антибиотиков, пестицидов, дезинфицирующих средств и др.), способных замедлить процесс газообразования или даже погубить штаммы бактерий;
• сырье не должно содержать крупных частиц соломы, перьев, шерсти, неорганических примесей — стекла, пластика, металла, песка и др., которые могут засорить резервуар метантенка и затруднить работу перемешивающего устройства;
• сырье, особенно обрабатываемое по непрерывной технологии, должно быть однородным, хорошо измельченным (частицы 5—10 мм ).

Свой реактор

Основной частью установки является метантенк (реактор). Он должен:

— иметь абсолютную герметичность стенок, препятствующую газообмену;

— быть непроницаемым для жидкостей;

— иметь достаточную прочность корпуса;

— иметь совершенную теплоизоляцию;

— быть стойким к коррозии;

— легко загружаться и опорожняться;

— обеспечивать доступность внутреннего пространства для обслуживания.

Корпуса метантенков изготовляют из стеклопластика, бетона, дерева, металла (лучше всего нержавеющего).Чтобы иметь возможность контролировать ход реакции, резервуары оборудуют термометром и манометром. Кроме того, в высокотехнологичных установках должны быть предусмотрены:

• резервуары и оборудование для сбора и подготовки сырья;
• резервуары для биогаза (газгольдеры) и оборудование для очистки и учета количества выработанного биогаза;
• резервуары и оборудование для сброженной массы.

Ориентировочно объем резервуара-ферментатора определяется из расчета 1,0 —1,5 м3 на одну голову крупного рогатого скота.

Работу биогазовых установок сравнительно легко автоматизировать (поддержание температуры в метантенке, перемешивание сырья, подача биомассы и др.). Из множества разработанных конструкций для применения в фермерских хозяйствах, на наш взгляд, наиболее подходят такие.

Домашний метантенк (рис.1) — наиболее простая установка. Он состоит из двух емкостей. В нижнюю емкость периодически загружают навоз для сбраживания с добавкой культуры метаногенных микроорганизмов. Верхняя емкость служит газгольдером, в котором скапливается газ. Масса газгольдера должна быть такой, чтобы обеспечить давление газа в нем 0,7—1 кПа для нормальной работы газовых приборов. По трубопроводу газ подается потребителю. Проще всего такой метантенк изготовить из двух бочек: нижняя — металлическая, а верхняя — деревянная. Верхнюю бочку легко герметизировать, вложив в нее полиэтиленовый мешок. Для обеспечения высокой скорости сбраживания нижнюю емкость нужно теплоизолировать, а биомассу подогревать. Такой метантенк можно соорудить с целью отработки технологии сбраживания и накопления опыта работы с биогазовыми установками.

О других конструкциях для получения биогаза и технике безопасности читайте в следующих номерах.

Юрий ЛАВРИНЕНКО,

г. Киев