Cum să obțineți biogaz din gunoi de grajd: prezentare generală a principiilor de bază și a dispozitivului instalației de producere

Fermele se confruntă anual cu problema eliminării gunoiului de grajd. Se cheltuiesc sume considerabile pentru organizarea transportului și depozitării acestuia. Dar există o modalitate care vă permite nu doar să economisiți banii, ci și să puneți acest produs natural în slujba dumneavoastră.

Gospodarii chibzuiți aplică de multă vreme în practică tehnologia ecologică care permite obținerea biogazului din gunoi de grajd și utilizarea rezultatului pe post de combustibil.

Prin urmare, în materialul nostru vom vorbi despre tehnologia de obținere a biogazului și, de asemenea, vă vom spune cum să construiți o instalație bioenergetică.

Avantajele utilizării biotehnologiilor

Tehnologia obținerii biocombustibilului din diverse surse naturale nu este nouă. Cercetările în acest domeniu au început încă de la sfârșitul secolului al XVIII-lea și s-au dezvoltat cu succes în secolul al XIX-lea. În Uniunea Sovietică, prima instalație bioenergetică a fost creată în anii patruzeci ai secolului trecut.

Biotehnologiile sunt folosite de mult timp în multe țări, dar tocmai astăzi ele capătă o importanță deosebită. Ca urmare a deterioarării situației ecologice de pe planetă și a costului ridicat al resurselor energetice, mulți își îndreaptă atenția către surse alternative de energie și căldură.

Tehnologia de transformare a bălegarului în biogaz permite reducerea cantității de emisii nocive de metan în atmosferă și obținerea unei surse suplimentare de energie termică.

Fără îndoială, bălegarul este un îngrășământ foarte valoros, iar dacă în gospodărie sunt două vaci, nu apar probleme cu utilizarea lui. Altfel stau lucrurile când este vorba de ferme cu un număr mare și mediu de animale, unde anual se produc tone de material biologic puturos și în descompunere.

Pentru ca bălegarul să se transforme într-un îngrășământ de calitate, sunt necesare suprafețe cu un anumit regim termic, ceea ce presupune cheltuieli suplimentare. De aceea, mulți fermieri îl depozitează oriunde apucă, apoi îl transporrtă pe câmpuri.

În funcție de volumul de materie primă produs zilnic, trebuie să se aleagă dimensiunile instalației și gradul ei de automatizare.

Dacă nu sunt respecate condițiile de depozitare, din bălegar se pierd până la 40% din azot și majoitatea fosforului, ceea ce deteriorează considerabil indicatorii săi de calitate. Mai mult decât atât, metanul eliberat în atmosferă are un impact negativ asupra situației ecologice a planetei.

Biotehnologiile modeme perit nu doar neutralizarea efectului nociv al metanului asupra mediului, ci și punerea lui în serviciul omului, aducând un beneficiu economic considerabil. În urma transformării bălegarului se formează biogaz, din care se pot obține apoi mii de kWh de energie, iar deșeurile de producție reprezintă un îngrășământ anaerob foarte valoros.

Mecanismul de formare a gazului din materie primă organică

Biogazul este o substanță volatilă, incoloră și inodoră, care conține până la 70% metan. Din punct de vedere al calității, se apropie de tipul tradițional de combustibil – gazul natural. Se distinge printr-o putere calorică bună; 1 m³ de biogaz eliberează aceeași cantitate de căldură ca cea obținută prin arderea a un kilogram și jumătate de cărbune.

Formarea biogazului se datorează bacteriilor anaerobe, care lucrează activ la descompunerea materiei prime organice, folosind ca materie primă dejectiile animalelor de fermă, excrementele de păsări și deșeurile oricăror plante.

În producția independentă de biogaz se pot folosi excrementele de păsări și produsele metabolice ale animalelor domestice mici și mari. Materia primă poate fi utilizată în formă pură sau sub formă de amestec, incluzând iarbă, frunze, hârtie veche.

Pentru activarea procesului, este necesar să se creeze condiții favorabile pentru activitatea bacteriilor. Acestea trebuie să fie similare cu cele în care microorganismele se dezvoltă într-un rezervor natural – în stomacul animalelor, unde este cald și nu există oxigen.

De fapt, acestea sunt cele două condiții principale care contribuie la transformarea miraculoasă a masei de gunoi putrezit în combustibil ecologic și îngrășăminte valoroase.

Pentru obținerea biogazului este nevoie de un reactor ermetic, fără acces la aer, unde va avea loc procesul de fermentare a gunoiului și descompunerea acestuia în componente:

• metan (până la 70%);
• dioxid de carbon (aproximativ 30%);
• alte substanțe gazoase (1-2%).

Gazele formate se ridică în partea superioară a rezervorului, de unde sunt apoi evacuate, iar în partea inferioară se depune produsul rezidual – un îngrășământ organic de înaltă calitate, care, în urma procesării, a păstrat toate substanțele valoroase prezente în gunoi – azot și fosfor – și a pierdut o parte semnificativă a microorganismelor patogene.

Reactorul pentru obținerea biogazului trebuie să aibă o construcție complet ermetică, în care să nu existe oxigen; în caz contrar, procesul de descompunere a gunoiului va decurge extrem de lent.

A doua condiție importantă pentru descompunerea eficientă a gunoiului și formarea biogazului este respectarea regimului de temperatură. Bacteriile care participă la proces se activează la temperaturi de la +30 de grade.

Mai mult, în gunoi se găsesc două tipuri de bacterii:

• Mezofile. Activitatea lor vitală are loc la temperaturi de +30 – +40 de grade;
• Termofile. Pentru reproducerea lor, este necesar să se respecte regimul de temperatură de +50 (+60) de grade.

Timpul de prelucrare a materiei prime în instalațiile de primul tip depinde de compoziția amestecului și este de la 12 la 30 de zile. În același timp, 1 litru de suprafață utilă a reactorului produce 2 litri de biocombustibil. La utilizarea instalațiilor de al doilea tip, timpul de producere a produsului final se reduce la trei zile, iar cantitatea de biogaz crește până la 4,5 litri.

Eficiența instalațiilor termofile este vizibilă cu ochiul liber, însă și costul întreținerii lor este foarte ridicat, de aceea, înainte de a alege una sau alta metodă de producere a biogazului, este necesar să se calculeze totul foarte atent.

Deși eficiența instalațiilor termofile este de zeci de ori mai mare, ele sunt folosite mult mai rar, deoarece menținerea temperaturilor înalte în reactor implică cheltuieli mari.

Întreținerea și exploatarea instalațiilor de tip mezofil sunt mai ieftine, de aceea majoritatea fermelor utilizează tocmai acestea pentru producerea biogazului.

Biogazul, în ceea ce privește criteriile de potențial energetic, nu este cu mult inferior combustibilului gazos obișnuit. Cu toate acestea, în compoziția sa există vapori de acid sulfuric, a căror prezență trebuie luată în considerare la alegerea materialelor pentru construcția instalației.

Calcule privind eficiența utilizării biogazului

Calculele simple vor ajuta la evaluarea tuturor avantajelor utilizării biocombustibilului alternativ. O vacă cu greutatea de 500 kg produce pe zi aproximativ 35-40 kg de gunoi de grajd. Această cantitate este suficientă pentru a obține aproximativ 1,5 m³ de biogaz, din care, la rândul său, se pot produce 3 kWh de energie electrică.

Folosind datele din tabel, este ușor de calculat câți m³ de biogaz se pot obține la ieșire, în funcție de efectivul de animale existent în fermă.

Pentru obținerea biocombustibilului se poate folosi atât un singur tip de materie organică, cât și amestecuri din mai multe componente, cu o umiditate de 85-90%. Este important ca acestea să nu conțină impurități chimice străine care afectează negativ procesul de prelucrare.

Cea mai simplă rețetă de amestec a fost inventată încă în anul 2000 de un rus din regiunea Lipețk, care a construit cu propriile mâini o instalație simplă pentru producerea biogazului. El amesteca 1500 kg de gunoi de grajd de vacă cu 3500 kg de deșeuri vegetale diverse, adăuga apă (aproximativ 65% din greutatea tuturor ingredientelor) și încălzea amestecul până la 35 de grade.

După două săptămâni, combustibilul gratuit este gata. Această instalație mică producea 40 m³ de gaz pe zi, ceea ce era suficient pentru încălzirea casei și a anexelor timp de jumătate de an.

Variante de instalații pentru obținerea biocombustibilului

După efectuarea calculelor, este necesar să decideți cum să fabricați instalația pentru a obține biogaz în conformitate cu nevoile gospodăriei dumneavoastră. Dacă efectivul de animale este mic, atunci este potrivită cea mai simplă variantă, care nu este greu de confecționat din materiale la îndemână, cu propriile mâini.

Fermelor mari, care au o sursă constantă de cantități mari de materii prime, este oportun să construiască un sistem industrial automatizat de biogaz. În acest caz, cu greu se va putea evita apelarea la specialiști, care vor elabora proiectul și vor monta instalația la nivel profesional.

Pe schemă este ilustrat clar cum funcționează un complex industrial automatizat pentru obținerea biogazului. Construcția unor astfel de dimensiuni poate fi organizată de mai multe ferme situate în apropiere.

Astăzi există zeci de companii care pot oferi o multitudine de opțiuni: de la soluții gata făcute, până la elaborarea unui proiect individual. Pentru a reduce costurile de construcție, vă puteți coopera cu fermele vecine (dacă există în apropiere) și puteți construi o singură instalație pentru toți pentru obținerea biogazului.

Trebuie să țineți cont că pentru construcția chiar și a unei instalații mici este necesar să întocmiți documentele corespunzătoare, să realizați schema tehnologică, planul de amplasare a echipamentelor și ventilației (dacă echipamentul este instalat într-o încăpere), să parcurgeți procedurile de avizare cu autoritățile de sănătate publică, inspecția de incendiu și cea de gaz.

O mini-fabrică de producere a gazului pentru acoperirea nevoilor unei gospodării private mici poate fi realizată manual, orientându-se după construcția și specificul dispozitivelor instalațiilor produse la scară industrială.

Construcțiile instalațiilor pentru procesarea gunoiului de grajd și a materiei organice vegetale în biogaz nu se remarcă prin complexitate. Originalul produs industrial este destul de potrivit ca șablon pentru construirea propriei mini-fabrici.

Meșterilor independenți care au decis să se ocupe de construirea propriei instalații, trebuie să își procure un recipient pentru apă, țevi din plastic pentru apă sau canalizare, coturi, garnituri de etanșare și o butelie pentru stocarea gazului obținut în instalație.

Particularitățile sistemului de biogaz

O instalație de biogaz completă reprezintă un sistem complex format din:

1. Bioreactorul, unde are loc procesul de descompunere a gunoiului de grajd;
2. Sistemul automatizat de alimentare cu deșeuri organice;
3. Dispozitivul pentru amestecarea biomasei;
4. Echipamentul pentru menținerea regimului optim de temperatură;
5. Gazoiderul – rezervorul pentru stocarea gazului;
6. Receptorul deșeurilor solide uzate.

Toate elementele menționate mai sus sunt instalate în instalații industriale care funcționează în regim automat. Reactoarele casnice, de obicei, au o construcție mai simplificată.

Pe schemă sunt prezentate componentele principale ale sistemului automatizat de biogaz. Volumul reactorului depinde de aportul zilnic de materii prime organice. Pentru funcționarea completă a instalației, reactorul trebuie să fie umplut pe două treimi din volum.

Principiul de funcționare al instalației

Elementul principal al sistemului este bioreactorul. Există mai multe variante de realizare a acestuia, principalul lucru fiind asigurarea etanșeității construcției și excluderea pătrunderii oxigenului. Acesta poate fi realizat sub forma unui recipient metalic de diferite forme (de obicei cilindric), amplasat la suprafață. Nu de puține ori, în acest scop se folosesc tancuri de combustibil goale de 50 de metri cubi.

Se pot achiziționa recipiente gata făcute cu construcție demontabilă. Avantajul lor este posibilitatea de demontare rapidă și, la nevoie, transportul în alt loc. Instalațiile industriale de suprafață sunt recomandabile a fi utilizate în ferme mari, unde există un flux constant de cantități mari de materie primă organică.

Pentru gospodăriile mici, varianta de amplasare subterană a rezervorului este mai potrivită. Buncărul subteran se construiește din cărămidă sau beton. Se pot îngropa în pământ recipiente gata făcute, de exemplu, butoaie din metal, oțel inoxidabil sau PVC. De asemenea, este posibilă amplasarea lor la suprafață, în aer liber sau într-o încăpere special amenajată, cu ventilație bună.

Pentru fabricarea unei instalații de producere a biogazului, se pot achiziționa recipiente gata făcute din PVC și se pot instala într-o încăpere dotată cu un sistem de ventilație.

Indiferent de locul și modul de amplasare a reactorului, acesta este prevăzut cu un buncăr pentru încărcarea gunoiului de grajd. Înainte de a încărca materia primă, aceasta trebuie să fie supusă unei pregătiri prealabile: se mărunțește în fracțiuni de cel mult 0,7 mm și se diluează cu apă. Ideal, umiditatea substratului ar trebui să fie de aproximativ 90%.

Instalațiile automatizate de tip industrial sunt echipate cu un sistem de alimentare cu materie primă, care include un recipient receptor în care amestecul este adus la umiditatea necesară, o conductă pentru alimentarea cu apă și o instalație de pompare pentru transferul masei în bioreactor.

În instalațiile casnice, pentru prepararea substratului se folosesc recipiente separate, unde deșeurile se mărunțesc și se amestecă cu apă. Apoi masa se încarcă în compartimentul de primire. În reactoarele amplasate subteran, buncărul de primire a substratului este scos în exterior, iar amestecul preparat curge gravitațional printr-o conductă în camera de fermentare.

Dacă reactorul este amplasat la sol sau într-o încăpere, conducta de intrare cu dispozitivul de primire poate fi situată în partea laterală inferioară a recipientului. De asemenea, este posibil ca conducta să fie scoasă în partea superioară, iar pe gâtul acesteia să se monteze un clopot. În acest caz, biomasa va trebui alimentată cu ajutorul unei pompe.

În bioreactor, trebuie prevăzută și o deschidere de ieșire, care se face practic pe fundul recipientului, pe partea opusă buncărului de intrare. În cazul amplasării subterane, conducta de ieșire se instalează oblic în sus și duce către un receptor de deșeuri, care are forma unui coș dreptunghiular. Marginea sa superioară trebuie să fie sub nivelul orificiului de intrare.

Conductele de intrare și de ieșire sunt amplasate oblic în sus pe părți diferite ale recipientului, iar rezervorul de compensare, în care ajung deșeurile, trebuie să fie mai jos decât buncărul de primire.

Procesul decurge în felul următor: buncărul de intrare primește un nou lot de substrat, care curge în reactor, în același timp, aceeași cantitate de masă uzată este ridicată prin țeavă în receptorul de deșeuri, de unde este ulterior scoasă și utilizată ca îngrășământ biologic de înaltă calitate.

Stocarea biogazului se face în gazometru. Cel mai adesea, acesta se află direct pe acoperișul reactorului și are formă de cupolă sau con. Este fabricat din tablă de acoperiș, iar apoi, pentru a preveni procesele de coroziune, este vopsit cu mai multe straturi de vopsea cu ulei.

În instalațiile industriale, proiectate pentru producerea unei cantități mari de gaz, gazometrul este adesea realizat sub forma unui rezervor independent, conectat la reactor printr-o conductă.

Gazul obținut prin fermentare nu este potrivit pentru utilizare, deoarece conține o cantitate mare de vapori de apă și, în această formă, nu va arde. Pentru a-l curăța de fracțiunile de apă, gazul este trecut printr-un sifon hidraulic. În acest scop, din gazometru este scoasă o țeavă, prin care biogazul ajunge într-un recipient cu apă, iar de acolo, printr-o țeavă din plastic sau metal, este livrat consumatorilor.

Schema instalației amplasate subteran. Orificiile de intrare și ieșire trebuie să fie situate pe părțile opuse ale rezervorului. Deasupra reactorului se află un sifon de apă, prin care, pentru uscare, este trecut gazul obținut.

În unele cazuri, pentru stocarea gazului se folosesc saci speciali de gazometru, fabricați din policlorură de vinil. Sacii sunt plasați lângă instalație și se umplu treptat cu gaz. Pe măsură ce se umplu, materialul elastic se umflă, iar volumul sacilor crește, permițând, la nevoie, păstrarea temporară a unei cantități mai mari de produs final.

Condițiile pentru o funcționare eficientă a bioreactorului

Pentru funcționarea eficientă a instalației și degajarea intensivă a biogazului, este necesară o fermentare uniformă a substratului organic. Amestecul trebuie să se afle în mișcare constantă. În caz contrar, pe el se formează o crustă, procesul de descompunere încetinește, iar în cele din urmă se obține mai puțin gaz decât s-a estimat inițial.

Pentru a asigura amestecarea activă a biomasei, în partea superioară sau laterală a unui reactor tipic se instalează agitatoare de tip imersibil sau înclinat, echipate cu acționare electrică. În instalațiile de tip artizanal, amestecarea se realizează mecanic cu ajutorul unui dispozitiv care seamănă cu un mixer de uz casnic. Acesta poate fi acționat manual sau echipat cu un motor electric.

În cazul amplasării verticale a reactorului, mânerul agitatorului este scos în partea superioară a instalației. Dacă rezervorul este instalat orizontal, șnecul este, de asemenea, amplasat în plan orizontal, iar mânerul se află lateral față de bioreactor.

Una dintre cele mai importante condiții pentru obținerea biogazului este menținerea în reactor a regimului termic necesar. Încălzirea poate fi realizată prin mai multe metode. În instalațiile staționare se utilizează sisteme automate de încălzire, care se activează când temperatura scade sub nivelul stabilit și se dezactivează când se atinge regimul termic necesar.

Pentru încălzire, se pot utiliza centrale pe gaz, se poate realiza încălzirea directă cu aparate electrice de încălzire sau se poate încorpora un element de încălzire în baza rezervorului.

Pentru a reduce pierderile de căldură, se recomandă construirea unui cadru mic în jurul reactorului cu un strat de vată de sticlă sau acoperirea instalației cu material termoizolant. Polistirenul expandat și alte varietăți ale acestuia posedă proprietăți bune de izolare termică.

Pentru a amenaja sistemul de încălzire a biomasei, se poate trasa o conductă de la încălzirea casei, care este alimentată de la reactor.

Determinarea volumului necesar

Volumul reactorului se determină în funcție de cantitatea zilnică de gunoi de grajd produsă în gospodărie. De asemenea, trebuie să se țină cont de tipul de materie primă, de regimul de temperatură și de timpul de fermentare. Pentru ca instalația să funcționeze corect, rezervorul se umple la 85-90% din volum, cel puțin 10% trebuie să rămână liber pentru ieșirea gazului.

Procesul de descompunere a materiei organice într-o instalație mezofilă la o temperatură medie de 35 de grade durează de la 12 zile, după care reziduurile fermentate sunt extrase, iar reactorul este umplut cu o nouă porție de substrat. Deoarece înainte de a fi trimise în reactor, deșeurile sunt diluate cu apă până la 90%, cantitatea de lichid trebuie, de asemenea, luată în considerare la determinarea încărcării zilnice.

Pe baza indicatorilor prezentați, volumul reactorului va fi egal cu cantitatea zilnică de substrat preparat (gunoi de grajd cu apă) înmulțită cu 12 (timpul necesar pentru descompunerea biomasei) și mărită cu 10% (volumul liber al rezervorului).

Construirea unei construcții subterane

Acum să discutăm despre cea mai simplă instalație care permite obținerea biogazului în condiții casnice cu cele mai mici costuri. Să examinăm construcția unui sistem subteran. Pentru a-l realiza, trebuie săpați o groapă; baza și pereții acesteia se toarnă cu beton armat cu argilă expandată.

Pe părțile opuse ale camerei sunt prevăzute orificiile de intrare și de ieșire, unde se montează țevi înclinate pentru alimentarea cu substrat și pentru evacuarea masei uzate.

Țeava de ieșire cu un diametru de aproximativ 7 cm trebuie să se afle aproape de fundul buncărului; celălalt capăt al său se montează într-un rezervor de compensare de formă dreptunghiulară, în care vor fi pompate deșeurile. Conducta de alimentare cu substrat este situată la aproximativ 50 cm de fund și are un diametru de 25-35 cm. Partea superioară a țevii intră în compartimentul de primire a materiei prime.

Reactorul trebuie să fie complet etanș. Pentru a exclude posibilitatea pătrunderii aerului, recipientul trebuie acoperit cu un strat de hidroizolație bituminoasă.

Partea superioară a buncărului este gazometrul, având o formă de cupolă sau conică. Acesta este fabricat din foi metalice sau tablă de acoperiș. Se poate, de asemenea, finaliza construcția cu zidărie de cărămidă, care apoi se acoperă cu o plasă de oțel și se tencuiește. Deasupra gazometrului trebuie realizată o trapă etanșă, scoasă o conductă de gaz care trece printr-un sigiliu hidraulic și instalată o supapă pentru eliberarea presiunii gazului.

Pentru amestecarea substratului, puteți dota instalația cu un sistem de drenaj care funcționează pe principiul barbotării. Pentru aceasta, în interiorul construcției, fixați vertical țevi din plastic, astfel încât marginea lor superioară să fie deasupra stratului de substrat. Faceți în ele numeroase găuri. Gazul sub presiune va coborî în jos, iar la urcare, bulele de gaz vor amesteca biomasa aflată în recipient.

Dacă nu doriți să vă ocupați de construcția unui buncăr din beton, puteți cumpăra un recipient gata făcut din PVC. Pentru a păstra căldura, acesta trebuie înconjurat cu un strat de izolație termică – polistiren expandat. Fundul gropii se toarnă cu beton armat într-un strat de 10 cm. Rezervoarele din clorură de polivinil pot fi utilizate dacă volumul reactorului nu depășește 3 m³.

Concluzii și material video util pe această temă

Cum să realizați cea mai simplă instalație dintr-un butoi obișnuit, veți afla dacă urmăriți videoclipul:

Cum are loc construcția unui reactor subteran, puteți vedea în materialul video:

Cum se încarcă gunoiul de grajd în instalația subterană este arătat în următorul videoclip:

Instalația de obținere a biogazului din gunoi de grajd vă va permite să economisiți semnificativ la plata căldurii și a energiei electrice și să folosiți în scopuri bune materialul organic care există din abundență în fiecare gospodărie agricolă. Înainte de a începe construcția, trebuie să calculați și să pregătiți totul cu atenție.

Cel mai simplu reactor poate fi realizat în câteva zile cu propriile mâini, folosind materiale la îndemână. Dacă gospodăria este mare, cel mai bine este să cumpărați o instalație gata făcută sau să apelați la specialiști.

Dacă, în urma studierii informațiilor prezentate, ați avut întrebări sau aveți sugestii pe care doriți să le împărtășiți cu vizitatorii site-ului, vă rugăm să lăsați comentarii în blocul de mai jos.