Способ получения биогаза

Изобретение относится к способам переработки органических отходов с использованием биотехнологических процессов с получением при этом биогаза. Способ получения биогаза включает предварительную обработку органического субстрата путем доведения до влажности 92% с последующим измельчением, введение катализатора, сбраживание в анаэробной среде, сбор биогаза. В качестве катализатора используют четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1,0, катализатор вводят в объеме 0,01 г/кг от массы сухого органического субстрата, а сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°C до 20°C. Использование заявляемого способа получения биогаза позволит получить хороший выход метана при сравнительно небольших концентрациях ферментной смеси. Техническим результатом настоящего изобретения является интенсификация процесса метанового брожения навоза с увеличением выхода биогаза и повышенным содержанием метана в нем. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способам переработки органических отходов с использованием биотехнологических процессов и получения при этом биогаза.

Биогаз — это дешевый и доступный способ получения энергии. В настоящее время разработано и применяется достаточно большое количество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариантов температурного режима, влажности, концентрации микробной массы, длительности протекания реакции и т.д. Однако на сегодня актуальным остается вопрос поиска наиболее эффективных, дешевых и доступных способов интенсификации процесса получения биогаза при невысоких температурных режимах, в условиях Сибири.

Известен способ получения биогаза из органических материалов (патент WO 2012/123331, номер заявки РСТ/ЕР2012/054022, дата приоритета заявки 11.03.2011 г., дата публикации 20.09.2012 г., класс МПК C02F 11/04, C02F 3/28.) В качестве биоорганического материала в данном случае используют навоз, сточные воды, бытовые отходы. Способ предполагает посев микроорганизмов в перерабатываемый органический материал, добавление коллоидного раствора, содержащего наночастицы железа, проведение анаэробной реакции, сбор биогаза. Наночастицы железа при этом получают из сыворотки крови животных. Температура прохождения реакции сбраживания составляет от 40°С до 60°С. Концентрации наночастиц железа предлагаются в разных диапазонах.

Существенным недостатком указанного выше способа является сложность его применения на небольших сельскохозяйственных предприятиях и достаточно высокий температурный режим сбраживания.

Также известен способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов (патент RU2458868, заявка №2010151066, дата приоритета 13.12.2010 г., дата публикации 20.08.2012 г.) Способ включает внесение в сбраживаемые отходы стимулирующей добавки, содержащей измельченную фитомассу амарант багряный и последующую обработку полученной смеси ультразвуком с частотой 22 кГц. При этом усиливается проницаемость клеточных мембран, активизируются обменные процессы внутри клеток. За счет этого ускоряется процесс метанового брожения.

Способ достаточно сложен и является дорогостоящим для применения мелкими фермерскими хозяйствами.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является разработка в этой области — способ переработки органического материала фирмы DSM ip ASSETS (патент WО 2013/000928, заявка РСТ/ЕР2012/0623 86, дата приоритета 29.06.2011 г., дата публикации 03.01.2013 г.) Способ предлагает переработку органического материала с использованием ферментов, а именно протеазы, липазы, фитазы, гемицеллюлазы, целлюлазы. Процесс состоит из двух стадий. На первой стадии органический материал подвергают тепловой обработке при температуре от 65°С до 120°С и влажности субстрата 95%. Делается это для того, чтобы уменьшить количество жизнеспособных бактерий и снизить их активность. Предполагается, что снижение количества жизнеспособных бактерий не влияет на выход биогаза в дальнейшем. На втором этапе проводится ферментация смеси. При этом выбирается один или более ферментов из числа предложенных. Процесс производства биогаза происходит при температуре от 40°С до 60°С. При этом предлагается производить расчет количества вносимых ферментов в зависимости от кислотно-щелочного баланса перерабатываемой смеси. По указанному выше способу предлагается перерабатывать сельскохозяйственные отходы, сточные воды, бытовые отходы.

Недостатком данного способа является сложность и высокий температурный режим проведения процесса получения биогаза. Не предложен универсальный ферментный состав. Для проведения этого процесса в условиях предприятия требуется хорошо укомплектованная лаборатория.

Задачей настоящего изобретения является разработка доступного и недорогого для мелких фермерских хозяйств способа получения биогаза.

Техническим результатом настоящего изобретения является интенсификация процесса метанового брожения навоза с увеличением выхода биогаза и повышенным содержанием метана в нем.

Предложен способ получения биогаза, включающий предварительную обработку органического субстрата, в частности навоза, полученного в результате жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы, предварительно доведеного до влажности 92%, путем добавления воды, с последующим измельчением, введение катализатора, сбраживание в анаэробной среде, сбор биогаза.

Отличием является то, что в качестве катализатора используют четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1, катализатор вводят в объеме от 0,01 г/кг от массы сухого органического субстрата, а сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 20°С.

Термин «катализатор» — вещество, ускоряющее реакцию в результате взаимодействия с реагирующими соединениями, но не входящее в состав образовавшихся продуктов.

Термин «органический субстрат» предполагает использование навоза, полученного в результате жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы.

Термин «анаэробное сбраживание» относится к описанию процесса разложения органического субстрата микроорганизмами, осуществляющими свою жизнедеятельность в бескислородной среде, с сопутствующим синтезом метана, двуокиси углерода и в небольших количествах сероводорода.

Ферменты (энзимы) — вещество белковой природы, присутствующее в живых организмах и способное ускорять протекающие в них реакции. Ферменты являются катализаторами.

В основу предлагаемого изобретения положено свойство ферментов расщеплять питательные вещества на более мелкие частицы, облегчая их усвояемость метаногенерирующими бактериями для улучшения их жизнедеятельности, результатом которой является получение биогаза с высоким содержанием метана. Кроме того, ферменты как катализаторы способны ускорять течение реакции и при комнатной температуре.

Ферменты, расщепляющие углеводы, называются амилолитическими или амилазами, белки (протеины) протеолитическими или протеазами, жиры (липиды) — липотическими или липазами.

Опытным путем был определен и доказан оптимальный состав смеси ферментов протеазы, амилазы, липазы и целлюлазы в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1.

Осуществимость заявляемого способа подтверждается экспериментальными данными.

Эксперимент проводился на лабораторных биогазовых установках, вместимостью реакторов 20 л., оснащенных термометрами, системой подачи сырья и удаления переброженного остатка, системой газоотведения и емкостью для накопления биогаза.

На протяжении всего периода ферментации температура в метантенках поддерживалась на уровне от 17°С до 20°С. Длительность эксперимента составила 24 дня. В качестве субстрата использовали навоз крупнорогатого скота, доставленный из крестьянско-фермерского хозяйства «Бабичев» (Ленинск-Кузнецкий район, Кемеровской области). Для исключения влияния качества исходного субстрата на результат исследования каждая партия навоза была сформирована при определенных режимах кормления стада.

Органический субстрат доводили до уровня влажности 92%, путем добавления воды, затем измельчали. Отдельно в условиях стерильности готовили смесь ферментов в заданном соотношении. Четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1 вносили на первой, гидролитической стадии брожения в количествах 0,01; 0,05; 0,1; и 0,5 грамма на килограмм сухого органического вещества (сокращенно С.О.В.) в предварительно подготовленную навозную массу.

Эксперимент показал, что ферментные препараты в их заданном соотношении, вводимые в метантенк с целью ускорения гидролитических процессов справляются со своей задачей довольно неплохо. Небольшая концентрация вводимой четырехкомпонентной смеси в количестве 0,01 г/кг С.О.В. дает увеличение биогаза и в его составе метана. Увеличение смеси ферментов до 0,05 г/кг С.О.В. способствует увеличению выхода биогаза. Однако, при этом возрастают и затраты на вносимую смесь. Дальнейшее увеличение дозировок смеси ферментов показало свою нецелесообразность, так как выход биогаза при этом практически не изменяется, а содержание метана уменьшается.

Влияние различных концентраций полученной смеси на выход и качество биогаза показаны на фиг. 1, где контрольный опыт показан 1, опыт с добавлением композиции в количестве 0,01 г/кг С.О.В. показан 2, опыт с добавлением композиции в количестве 0,05 г/кг С.О.В. показан 3, в количестве 0,1 г/кг С.О.В. — 4, в количестве 0,5 г/кг С.О.В. — 5. Результаты эксперимента определялись на 6 день, на 12 день, на 18 день и на 24.

Таким образом, получены результаты эксперимента, подтверждающие влияние существенных признаков заявляемой формулы на технический результат. Определено оптимальное соотношение ферментов (протеазы, амилазы, липазы, целлюлазы), при котором в условиях комнатной температуры возможно протекание анаэробного сбраживания органического субстрата с выделением биогаза, содержащего до 57% метана.

Для облегчения использования заявляемого способа в условиях небольших фермерских хозяйств, проведен поиск готовых композиций, содержащих необходимые ферменты в нужном соотношении.

Наиболее подходящим вариантом оказалась мультиэнзимная композиция торговой марки Totalase Ultra, широко применяемая при производстве стиральных биопорошков для выведения пятен различной природы (www.biokhim.com/rus/catalog). Totalase Ultra включает все четрые класса ферментов: протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в нужном соотношении. Применение мультиэнзимной композиции торговой марки Totalase Ultra в количестве 0,01 г/кг С.О.В. дает также хороший результат по выходу биогаза.

Использование заявляемого способа получения биогаза позволит получить хороший выход метана при сравнительно небольших концентрациях ферментной смеси.

Способ получения биогаза, отличающийся тем, что органический субстрат (навоз), предварительно обработанный, доведенный до влажности 92% путем добавления воды, измельчают, вводят катализатор, в качестве смеси ферментов используют четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1,0, смесь ферментов вводится в количестве 0,01 г/кг массы сухого органического субстрата, а сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 20°С.

Как происходит производство биогаза из отходов

Животноводческое хозяйство постоянно сталкивается с проблемой вывоза отходов. На утилизацию навоза требуются большие деньги. Но есть способ, с помощью которого можно не только сэкономить свои денежные средства, но и сделать так, чтобы отходы превратились в полезное вещество.

Рачительные животноводы уже давно используют на практике специальную технологию производства из навоза биогаза – вещества, которое может служить в качестве топлива.

Впервые услышав о такой технологии, многие наверняка подумают, что она появилась совсем недавно – максимум 10 лет назад. Однако о том, как из отходов получать газ, полезный в хозяйстве и промышленности, люди знали уже давно. Исследования в этой сфере начались более 200 лет назад. В 19 веке они с успехом продолжили развиваться. В начале прошлого столетия в промышленности началось использование метантенков – устройств, основная функция которых – переработка отходов в газ метан.

Содержание статьи:

Зачем перерабатывать навоз?

И хотя технологии производства биогаза из отходов уже давно используются в разных странах, именно в наши дни они становятся наиболее важными. Это связано с глобальными экологическими проблемами и с увеличением стоимости традиционных видов топлива.

Переработка органических отходов в биогаз позволяет уменьшить объем выбрасываемого в атмосферу метана, а заодно получить альтернативный источник тепла.

Экологическая ценность производства биогаза

Все, кто занимается садоводством, прекрасно знают, что навоз – это отличное удобрение. И если на скотном дворе у сельского жителя есть одна корова, то всё можно использовать для удобрения в своём саду или огороде. Однако, если коров больше, то навоза появляется столько, что его некуда девать.

Для того, чтобы навоз стал качественным удобрением, требуется среда с определённой поддерживаемой температурой. А это уже дополнительные затраты. Поэтому фермеры зачастую просто оставляют навоз на длительное хранение где-нибудь недалеко от места его появления и затем, когда приходит время, вывозят его на поля. Однако в таком случае при низких температурах он лишается столь важного компонента, как азот. Следовательно, качество удобрения значительно ухудшается. Также при неправильном хранении из навоза выделяется метан – газ, который лишь засоряет воздух.

Благодаря современным технологиям, можно не только предотвратить отрицательное воздействие вредных газов на атмосферу, но и сделать так, чтобы они, наоборот, приносили пользу.

С помощью специальной технологии, основанной на жизнедеятельности микроорганизмов, навоз превращается в биогаз, который затем можно использовать в качестве топлива. При этом то, что останется в качестве отходов, может быть использовано как удобрение.

Комплектация установки для производства биогаза

Для переработки отходов сооружаются специальные установки. Оборудование для переработки навоза в газ состоит из шести основных элементов.

1. Биореактор, в котором разлагается сырье.
2. Автоматическая система подачи сырья.
3. Устройство для перемешивания массы.
4. Оборудование, поддерживающее нужную температуру.
5. Газгольдер, в котором хранится полученный газ.
6. Приёмник твердых отходов.

Без этих элементов не обходится ни одна установка, использующаяся в промышленности. Однако те метантенки, которые в быту применяются фермерами, имеющими своё сельское хозяйство, устроены гораздо проще.

Устройство и особенности оборудования для производства биогаза

Основная часть установки – биореактор. Он может быть исполнен в одном из нескольких вариантов. Но в любом случае он должен быть достаточно герметичным и не позволять проникнуть внутрь кислороду. В домашнем фермерстве для изготовления биореактора обычно применяются топливные цистерны объемом 50 куб. м. Но можно также купить уже готовый метантенк. Его главное преимущество – возможность быстро разобрать и перевезти в другое место, когда это необходимо.

Технология производства биогаза в домашних условиях

Если соблюдать простые правила эксплуатации, то оборудование для переработки навоза в биогаз сможет полностью обеспечить энергией как небольшое жилое помещение, так и целое промышленное предприятие.

Биореактор вырабатывает не только топливо в виде газа, но и ценное удобрение, в основе которого лежит гумус.

Чтобы получить биогаз, органическое сырье нужно поместить в такие условия, в которых быстро смогут развиваться определенные виды микробов.

Производство биогаза из отходов животноводства проходит в 4 этапа, в каждом из которых участвуют разные штаммы микроорганизмов. Примечательно то, что они не нуждаются в кислороде. Однако важно поддерживать оптимальные показатели давления и температуры. Организмы, вырабатывающие метан, хорошо развиваются в условиях давления в 1/20 атмосферного и при температуре в 50 градусов.

Когда сырье будет помещено в биореактор, начнется его активация, на которую может уйти несколько месяцев.

Как только появится газ, это будет означать, что появилось уже достаточное количество микроорганизмов, и примерно через 10 дней в реактор добавляется новое сырье, которое активируется уже гораздо быстрее.

Чтобы поддерживать оптимальные условия, нужно с определённой периодичностью перемешивать сырье. А для сохранения постоянной температуры в 50 градусов придётся применять обычное отопление.

Сырье для производства биогаза

Бытует мнение, что навоз – это лучшее сырье для производства биогаза. Из тонны не содержащего примесей навоза можно получить лишь около 60 куб. м ценного газа. К тому же, именно в навозе присутствует больше всего видов бактерий, способных долгое время поддерживать работу биореактора.

Однако в навоз предварительно можно добавлять отходы садоводства и пищевой промышленности.

Перед тем, как поместить сырье в реактор, его нужно размельчить и разбавить водой.

Что представляет собой биогаз

Но что же такое биогаз и почему он оказывается таким полезным?

Биогаз – это вещество, которое невозможно ни увидеть, ни почувствовать. Оно во многом похоже на обычный природный газ. При его сжигании выделяется большое количество тепла. В этом плане 1 куб. м биогаза эквивалентен 1,5 кг традиционного угля.

Газ, вырабатываемый биореактором, примерно наполовину состоит из метана, хотя точные цифры сильно варьируют. Если метан из отходов попадает в атмосферу, то он наносит ей вред, усиливая парниковый эффект. Но если его специально собирать, а затем использовать в качестве топлива, то он сгорает.

Другое вещество, входящее в состав биогаза – углекислота. Его процент меньше. Перед применением в хозяйстве оно обычно удаляется. Остальные составляющие – водород, сероводород, азот.

Технология получения и производства биогаза из навоза

Производителями биогаза являются анаэробные микроорганизмы, которые разлагают навоз. Чтобы началась переработка навоза в газ, нужно поместить сырье в резервуар, где нет кислорода и некоторое время поддерживать там определенную температуру. Отсутствие кислорода и достаточно теплая окружающая среда – это как раз и есть благоприятные условия для развития нужных микроорганизмов. Так отходы животноводства начнут превращаться в экологически чистое топливо, а также в ценное удобрение.

Принцип работы установки по производству биогаза

Газы, которые образуются микроорганизмами в результате их жизнедеятельности, будучи довольно лёгкими, поднимаются в верхнюю часть метантенка. Оттуда их затем и выкачивают. А в нижней части оказывается остаточный продукт, который как раз можно использовать в качестве удобрения. Этот продукт сохраняет все полезные свойства навоза, так как в нём остаются азот и фосфор.

Но если приобрести подходящий резервуар не так уж и сложно, то с поддержанием постоянной температуры уже могут появиться проблемы. Ведь здесь не обойтись без больших финансовых затрат. Микроорганизмы, которые принимают участие в процессе переработки, начинают действовать лишь при температуре выше 30 градусов. А некоторым видам и вовсе требуется среда, нагретая до 50 градусов.

Примерный выход биогаза

Одна корова за сутки в среднем производит до 40 кг навоза. Если поместить его в биореактор, то микробы выработают примерно 1,5 куб. м топливного газа, а это – 3 кВт/ч электрической энергии.

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.

Строительство подземной установки по производству биогаза

Самой главной составляющей установки является метантенк. Так называется емкость, внутри которой и происходят все необходимые химические реакции, способствующие превращению отходов в ценный метан. Для уменьшения затрат на поддержание постоянной температуры эту емкость размещают прямо под землёй. В этом случае тепловая энергия, которая вырабатывается во время реакций, сохраняется надолго, и температура среды составляет около 15 градусов.

Для небольших метантенков, объем которых не превышает 3 куб. м, допускается использование капроновой ёмкости. А для теплоизоляции используют часто применяющиеся в строительстве материалы такие, как минвата и пенополистирол.

Дно ямы, выкопанной для размещения метантенка, покрывают бетонным раствором слоем до 10 см. Бетон нужен для того, чтобы предотвратить выдавливание ёмкости из почвы.

Лучший материал для сооружения больших реакторов – керамзитобетон. Он обладает хорошей прочностью и к тому же, является неплохим теплоизолятором.

Перед тем как начинать заливать стены ямы, необходимо соорудить трубу, через которую будет подаваться смесь. Толщина этой трубы обычно составляет около 30 см. А длина её должна быть такой, чтобы нижний конец располагался на расстоянии примерно 25 см от дна.

В верхней части метантенка находится газгольдер – предназначенная для концентрации газа конструкция в виде конуса или купола. Для изготовления газгольдера могут использоваться обычные металлические листы. Но в некоторых случаях применяют кирпич, который затем обивают металлической сеткой и наносят слой штукатурки.

Из верхней части газгольдера должны выходить две трубки. Одна из них выводит вырабатываемый газ, а через другую откачивается отработанная масса.

Емкость метантенка должна быть надежно закрыта и выдерживать давление в 1/10 атмосферного. Поэтому её стенки изнутри обмазывают битумом, а в верхней части устанавливают герметичную крышку.

Производство биогаза из отходов органики как бизнес

Начать деятельность, имеющую отношение к альтернативным источникам энергии, может даже новичок в сфере бизнеса. Для этого нужно либо иметь собственное фермерское хозяйство, либо начать сотрудничать с фермами и регулярно получать от них навоз. Установкой биореактора можно заняться самостоятельно или обратиться за помощью к профессионалам. После этого останется только наладить сбыт готового альтернативного топлива и удобрений. В этом случае все затраты быстро окупятся и данный бизнес начнет приносить солидный доход. Кроме того, работая в области альтернативных источников энергии, предприниматель будет получать надбавку при реализации электроэнергии на оптовом рынке.

Сфера применения биогаза

Производство биогаза из отходов не только способствует улучшению экологической обстановки, но и значительно сокращает затраты на энергоснабжение. Сфера применения этого газа довольно обширна. Он может быть использован в качестве топлива для автомобиля, для производства электричества, а также для отопления жилых домов и малых промышленных зданий.

Биогаз | Кинезиолог

Определение понятия

Биогаз – это газ, получаемый в результате микробного разложения биомассы различного состава.

Биогаз состоит в основном из метана (55-70%) и диоксида углерода (45-30%), но также содержит некоторые включения, которые обычно удаляются в биогазовой станции.
По своим свойствам биогаз наиболее близок к природному газу, состоящему из 80-98% метана. Он не имеет ни цвета, ни запаха.

Наиболее часто биогаз используется для выработки электрической энергии.
Биогаз также можно очищать от двуокиси углерода CO2 и доводить до свойств природного газа (метана). Такой обогащенный биогаз называется биометаном. Чаще всего такая очистка производится с помощью воды. После очистки газ не отличается от природного метана как по составу, так и по свойствам.

Свойства биогаза

Таблица. Основные характеристики биогаза

Получение биогаза

Биогазовые установки представляют собой строительные объекты, состоящие из герметичных реакторов, оснащённых комплексом систем подачи сырья, подогрева, перемешивания, канализации (воздушной газовой и электрической).

Биогазовые установки производят биогаз путем контролируемого сбраживания биомассы в анаэробных условиях.

Для производства биогаза пригодно большинство отходов пищевой промышленности и сельского хозяйства, а также специально выращенные энергетические растения. Биогазовые установки могут работать как на моно-сырье, так и на смеси.

Также биогазовую установку можно рассматривать в качестве активной системы очистки окружающей среды и утилизации отходов. Любые другие системы очистки потребляют энергию, а не производят. Биогазовая установка перерабатывает отходы в биогаз и биоудобрения.

Мокрый способ получения биогаза

«Мокрый» способ переработки в биогаз органических отходов из возобновляемого сырья получил самое широкое распространение. Он отлично подходит для сырья с высоким содержанием влаги. При «мокром» способе сырье разбавляется до влажности 90% и перекачивается в биореакторы насосами. Реакторы герметично закрыты и работают без доступа кислорода. В процессе непрерывной работы свежее сырье подается порциями из предварительного резервуара в нижнюю часть реактора. Порциями же отводится перебродившая масса. В утепленном предварительном резервуаре и реакторе происходит подогрев биомассы и перемешивание. Материал всех ёмкостей и реакторов — сталь с покрытием или железобетон. В реакторе поддерживается наиболее благоприятная мезофильная температура для бактерий 37-40 С. Перемешивание происходит периодически. Периодические остановки необходимы для того чтобы масса успела расслоиться и с перебродившей массой не происходил слив свежего сырья.

Интерактивная схема работы биогазовой станции по «мокрому способу»

Сухой способ получения биогаза

Ещё недавно биогазовые технологии были сосредоточены лишь на «мокрой ферментации». Новая система сухой ферментации позволяет производить биогаз из твердых отходов, загрязненных неорганическими включениями. Это означает, что можно перерабатывать в биогаз даже обычный городской мусор. При этом не требуется разбавление субстрата до состояния прокачки. Сухой способ ферментации позволяет сбраживать субстраты с 50% влажностью. Отходы загружаются в ферментатор и сбраживаются без доступа кислорода. Постоянная подача бактериального сырья происходит при помощи рециркуляции перебродившего жидкого фильтрата, который распыляется над органическими отходами в реакторе. В процессе не происходит перемешивания, перекачки либо переворачивания субстрата, также свежее сырье не подается. Излишки фильтрата собираются через дренажную систему в емкость, а затем распыляются над биомассой в реакторе. Сбраживание происходит в благоприятном мезофильном режиме в диапазоне 34-37°C. Для этого стены и пол реактора имеют подогрев.

Cхема работы биогазовой станции по «сухому способу»

Сырьё для получения биогаза

Улучшающие добавки

Улучшающие добавки для сырья — это смесь из энзимов (ферментов), пробиотиков и микроэлементов, улучшающих деятельность микроорганизмов, осуществляющих брожение.
Использование добавки позволяет увеличить выход биогаза от 20 до 40% без изменений конструкции биогазовой станции. Кроме того, добавка облегчает работу оператора за счёт стабилизации процесса; она также повышает содержание метана в биогазе. За счет добавки извлекается весь биогаз в реакторе основного брожения без этапа дображивания. Таким образом, можно строить биогазовые станции в 2 раза дешевле, либо извлекать из сырья дополнительно энергию. Добавка используется на многих биогазовых станциях в Германии и дает гарантированное увеличение выхода биогаза. Есть станции, где достигнут выход биогаза 260 м3 / тонны силоса или 45% рост выхода биогаза.
Расход составляет 1-2 кг / сутки для биогазовой станции электрической мощностью 1 МВт (24000 кВтч электроэнергии в сутки).
 

Источники:

http://zorgbiogas.ru/biogas-plants?lang=ru

основные характеристики и технология получения. Cleandex

Биогаз – общее название горючей газовой смеси, получаемой при разложении органичнеских субстанций в результате анаэробного микробиологического процесса (метанового брожения).

Для эффективного производства биогаза из органического сырья создаются комфортные условия для жизнедеятельности нескольких видов бактерий при отсутствии доступа кислорода.

Принципиальная схема процесса образования биогаза представлена ниже:

В зависимости от вида органического сырья состав биогаза может меняется, но, в общем случае, в его состав входят метан (Ch5, доля — 63%), углекислый газ (CO2, доля — 33%), небольшое количество сероводорода(h3S, доля — 2%), аммиака (Nh4, доля — 1%) и водорода (h3, доля — 1%).

Так как биогаз на 2/3 состоит из метана – горючего газа, составляющего основу природного газа, его энергетическая ценность (удельная теплота сгорания) составляет 60–70% энергетической ценности природного газа, или порядка 7000 ккал на м3. 1м3 биогаза также эквивалентен 0,7 кг мазута и 1,5 кг дров.

Биогаз широко применяется как горючее топливо в Германии, Дании, Китае, США и других развитых странах. Он подается в газораспределительные сети, используется в бытовых целях и в общественном транспорте. Сегодня начинается широкое внедрение биогазовых технологий на рынках СНГ и Прибалтики.

Сырьемдля получения биогаза может служить широкий спектр органических отходов – твердые и жидкие отходы агропромышленного комплекса, сточные воды, твердые бытовые отходы, отходы лесопромышленного комплекса.

Качество отходов характеризуется влажностью, выходом биогаза на единицу сухого вещества и содержанием метана в биогазе.

Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья, однако наиболее эффективно использование биогазовых технологий для переработки отходов животноводческих и птицеводческих ферм, предприятий АПК и сточных вод, так как они характеризуются постоянством потока отходов во времени и простотой их сбора.

Биогазовая установка – устройство, осуществляющее переработку органических отходов в биогаз и органические удобрения. Биогазовая станция – более широкое понятие, оно включает комплекс инженерных сооружений, состоящий из устройств для подготовки сырья, производства биогаза и удобрений, очистки и хранения биогаза, производства электроэнергии и тепла.

В биореакторе поддерживается постоянная температура, необходимая для активной деятельности бактерий (от 31 до 70 С°). Работа всей установки регулируется автоматикой. Число занятых на биогазовых станциях среднего масштаба не превышает 10–15 человек.

Мощность биогазовых станций варьируется в пределах от 1 кВт (бытовые установки) до нескольких десятков МВт.

Источник: www.biogas-energy.ru

Получение, состав и использование биогаза

В мировой практике газоснабжения накоплен достаточный опыт использования возобновляемых источников энергии, в том числе энергии биомассы. Наиболее перспективным газообразным топливом является биопродукт, интерес к использованию которого в последние годы не только не убывает, но и продолжает возрастать. Под биогазами подразумеваются метансодержащие газы, которые образуются при анаэробном разложении органической биомассы.

В зависимости от источника получения они подразделяются на три основных вида:

• газ, получаемый на городских очистных канализационных сооружениях;
• биогаз, получаемый в специальных установках при сбраживании отходов сельскохозяйственных производств;
• газ свалок, получаемый на полигонах отходов, содержащих органические компоненты.

Получение биогаза в сельскохозяйственных установках

По техническому исполнению биогазовые установки подразделяются на три системы: аккумулятивную, периодическую, непрерывную.

В аккумулятивных системах биогазовой установки предусматривается сбраживание в реакторах, которые служат одновременно и местом хранения сброженного навоза (субстрата) до его выгрузки. Исходный субстрат постоянно подается в резервуар до его заполнения. Выгрузка сброженного составляющего производится один-два раза в год в период внесения удобрений в почву. При этом часть сброженного осадка специально оставляется в реакторе и служит затравочным материалом для последующего цикла сбраживания. Объём хранилища, совмещенного с биореактором, рассчитывается на полный объём удаляемого с комплекса навоза в межпосевной период. Такие системы требуют больших объёмов хранилищ и применяются очень редко.

Периодическая система производства продукта в биогазовых установках предполагает разовую загрузку исходного субстрата в реактор, подачу туда же затравочного материала и выгрузку сброженного продукта. Такая система характеризуется довольно большой трудоемкостью, очень неравномерным выходом газа и требует наличия не менее двух реакторов, резервуара для накопления исходного навоза и хранения сброженного субстрата.

При непрерывной схеме биогазовой установки исходный субстрат непрерывно или через определенные промежутки времени (1–10 раз в сутки) загружается в камеру сбраживания, откуда одновременно удаляется такое же количество сброженного осадка. Для интенсификации процесса сбраживания в биореактор могут вноситься различные добавки, увеличивающие не только скорость реакции, но и выход и качество газа. Современные биогазовые установки рассчитываются, как правило, на непрерывный процесс и изготавливаются из стали, бетона, пластмасс, кирпича. Для теплоизоляции применяются стекловолокно, стекловата, ячеистый пластик.

По суточной производительности существующие биогазовые системы и установки можно разделить на 3 типа:

• малые — до 50 м³/сут;
• средние — до 500 м³/сут;
• крупные — до 100 тыс. м³/сут.

Принцип работы биогазовой сельскохозяйственной установки

Навоз из животноводческого помещения поступает в накопительную ёмкость, далее фекальным насосом его загружают в метантенк — ёмкость для анаэробного сбраживания. Биогаз, образующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер и далее к газопоршневой установке. Газопоршневая установка выдает электричество и тепло, которое снимает с охлаждения рубашки двигателя и выхлопных газов. Для этих целей отлично подойдут газопоршневые установки — Cummins, Deutz, Capstore, Brimbaher, MWM

Для нагрева навоза до температуры брожения и поддержания теплового режима в метантенке применяют теплообменник, через который протекает горячая вода, нагреваемая в котле. Сброженный навоз выгружают в навозохранилище.

Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты — метан и углекислоту.

В метантенках обеспечиваются все необходимые параметры процесса — температура (33… 37ºС), концентрация органических веществ, кислотность (6,8–7,4) и др. Рост клеток метанового биоценоза также определяется соотношением C:N, и оптимальное его значение составляет 30:1.

Системы хранения биогаза

Обычно биогаз выходит из реакторов неравномерно и с малым давлением (не более 5 кПа). Этого давления с учетом гидравлических потерь газотранспортной сети недостаточно для нормальной работы газоиспользующего оборудования. К тому же пики производства и потребления продукта не совпадают по времени. Наиболее простое решение ликвидации излишка биогаза — сжигание его в факельной установке, однако при этом безвозвратно теряется энергия. Более дорогим, но в конечном итоге экономически оправданным способом выравнивания неравномерности производства и потребления газа является использование газгольдеров различных типов. Условно все хранилища можно подразделить на «прямые» и «непрямые». В «прямых» газгольдерах постоянно находится некоторый объём газа, закачиваемого в периоды спада потребления и отбираемого при пиковой нагрузке. «Непрямые» газгольдеры предусматривают аккумулирование не самого газа, а энергии промежуточного теплоносителя (воды или воздуха), нагреваемого продуктами сгорания сжигаемого газа, т.е. происходит накопление тепловой энергии в виде нагретого теплоносителя.

После получения биогаза на сельскохозяйственных установках обработанный навоз используют в качестве удобрений. Метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодорацию, дегельминтизацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями минеральную форму. При этом питательные (для растений) вещества — азот, фосфор и калий — практически не теряются.

Газ собственного производства и энергоэкономика хозяйственного подворья

07.03.2019

Дальнейшее развитие современных технологий неразрывно связано с интенсивным потреблением энергоресурсов, природными источниками которых являются залежи нефти и газа. Запасы этих полезных ископаемых не безграничны, к тому же они распределены очень неравномерно, что дает возможность некоторым государствам проводить свою ценовую политику на мировом энергетическом рынке. Во избежание энергозависимости и в целях способствования активному поиску и развитию перспективных энергетических источников, многие страны переходят на альтернативные, экологически безопасные и возобновляемые виды энергии. Одним из таких видов является биогаз. Примером успешного внедрения биогазовых технологий в экономику страны на государственном уровне является Великобритания.

Биогаз получают из биомассы путём брожения органического вещества в бескислородных условиях. В результате жизнедеятельности микроорганизмов углеводы, белки и жиры превращаются в основные продукты – метан (СН₄) и углекислый газ (СО₂). Сырьем для получения биогаза служат органические отходы растительного (пожнивные, растительные остатки, силос, сорняки, отходы переработки продукции растениеводства и т. п.), а также животного происхождения (навоз КРС, свиной навоз, куриный помёт и пр.).

Применяя такую технологию, жители сельской местности, имеющие подсобное хозяйство, могут перерабатывать специальным образом отходы в виде соломы зерновых, птичьего помёта, навоза, ботвы огородных культур и пр., получая на выходе высокоэнергетический продукт – биогаз. Он представляет собой альтернативный возобновляемый источник энергии, который служит для отопления, электроснабжения и многих других операций, в т. ч. связанных с использованием поршневого двигателя внутреннего сгорания. 

Для переработки органических отходов в биогаз нужна специальная биогазовая установка. Это оборудование можно смастерить самому из подручных материалов или купить готовое, что будет гораздо дороже, но при этом удобнее в пользовании, быстрее в запуске и безопаснее в эксплуатации (не надо забывать, что мы имеем дело с легко воспламеняемым и очень взрывоопасным веществом!). 

Простейшая установка для производства биогаза состоит из реактора, теплообменника с нагревательным элементом, фильтров для газа, резервуара для сброса отработанного сырья и резервуара-накопителя готового газа с выводом трубы, регулируемой краном, к потребителю. Все составляющие соединены между собой трубами и оснащены кранами для простоты управления процессом. 

Реактор представляет собой большой, утеплённый снаружи, герметично закрывающийся толстостенный резервуар из металла или пластика, в который загружается сырьё: навоз, помёт, испорченные, непригодные для скармливания животным корма и прочие органические отходы. Чем больше этот резервуар, тем больше биомассы там будет разлагаться, и тем выше производительность установки. 

В реакторе происходит процесс сбраживания питательных органических веществ, содержащихся в сырье, протекающий с помощью микроорганизмов, которые выделяют продукты своей жизнедеятельности в виде метана, водяного пара, углекислого газа, сероводорода и других соединений. Микроорганизмы питаются органическими веществами, перерабатывая их в процессе своей жизнедеятельности в необходимые нам высокоэнергетические продукты. 

Сам процесс разложения биомассы проходит в три этапа, следующих в строгой очерёдности. На каждом этапе в этом процессе участвуют три различных вида микроорганизмов, которые используют продукты жизнедеятельности друг друга в качестве питательной среды. В природе подобное разложение органических продуктов можно наблюдать постоянно. Сначала «вступают в работу» гидролизные микроорганизмы, после них – кислотообразующие, на смену которым приходят метанообразующие. Последние завершают деградационные процессы, разлагая органику до метана. 

В зависимости от сырья, условий брожения и других обстоятельств, в выделяемом газе может быть от 50% до 85% смеси метана и водорода, от 13% до 50% углекислого газа, около 5 – 10% водяного пара, а также 3 – 5% прочих, нежелательных, в том числе и серосодержащих примесей, которые удаляются с помощью фильтров, установленных на пути прохождения газа после выхода его из реактора. 

Загружается реактор на 1/2 – 2/3 своего объёма, так как в процессе брожения может происходить существенное увеличение размеров разлагающейся биомассы и активное пенообразование. Для успешного размножения метанообразующих бактерий и максимально продуктивной их работы необходимо поддерживать в реакторе температуру +37…39°С и систематически перемешивать биомассу во избежание её расслоения. В дальнейшем, с началом разложения, будет происходить выделение тепла, и постоянный подогрев биомассы уже не потребуется. 

Разлагающие биомассу микроорганизмы могут жить в широком диапазоне температур, поэтому изменения температурного режима не так вредны самим бактериям, как нежелательны для производства: при отклонении температуры реактора от оптимальной снижаются темпы выработки горючего газа. А микроорганизмы способны продолжать питаться и размножаться даже при +70°С(!). Замораживание их консервирует: они прекращают свою жизнедеятельность, но не теряют жизнеспособность. 

Для перемешивания сырья в реакторе устанавливают специальные лопастные погружные мешалки с ручным или электрическим приводом. Характер привода зависит от величины реактора и конструктивных особенностей всей биогазовой установки. Перемешивание массы производится периодически или постоянно. А для подогрева реактора оборудуют теплообменник. Особенно важно подогревать биомассу в зимнее время, когда температура окружающей среды низкая, а потребность в горючем для отопления помещений наиболее высока. 

Из нескольких возможных конструкций теплообменника два наиболее просты в исполнении. Первый вариант заключается в том, чтобы поместить реактор в ёмкость, превосходящую его по размеру и заполненную водой. Подогревают воду с помощью электричества или части производимого газа, поддерживая необходимую для обеспечения активного производственного процесса температуру. Конструкция с подобным обогревом подходит для небольших реакторов. 

Во втором варианте змеевик или сеть труб-батарей размещаются в самом реакторе. По ним циркулирует теплоноситель, подогреваемый газовым или электрическим котлом, который расположен рядом с реактором. Такой системой удобно подогревать реакторы значительного объёма. Для большей автономности работы теплообменника температуру теплоносителя можно контролировать с помощью автоматического терморегулятора, а перемешивание массы с заданной частотой и продолжительностью осуществлять с помощью реле времени, которое будет включать и выключать мешалку. 

Потребление электроэнергии или газа теплообменником, в зависимости от технологических его особенностей и при рациональном использовании, обычно колеблется в пределах 10% от энергоёмкости (количества) газа, вырабатываемого установкой. Но этот показатель может существенно меняться, так как на него оказывают влияние многие факторы, в т. ч. месторасположение реактора (в помещении или на открытом воздухе), качество его утепления, погодные условия и мн. др.

В зависимости от влажности сырья процесс разложения можно условно классифицировать как мокрый или сухой. Оба вида протекают без доступа кислорода и при температуре до +40°С. Отличаются они только влажностью разлагаемого сырья. При мокром способе влажность биомассы составляет примерно 90%. Это может быть навоз, полученный от коров, свиней, их смеси между собой, сточные воды, пищевые и другие отходы. 

Для ускорения запуска процессов разложения в биомассу желательно ввести культуру гидролизных, кислотообразующих и метанообразующих бактерий. «Закваска» не только ускоряет процесс, но и увеличивает выход биогаза на 20 – 35%. При этом процентное содержание в нём метана повышается на 40% по сравнению с обычным естественным процессом. 

При сухом способе влажность загружаемой органической массы должна быть не менее 55%. В этом случае сырьем служат куриный помёт, кроличий навоз, грязная подстилка животноводческих ферм, отходы растениеводства, опавшая листва деревьев и т. п. Сырьё загружается в реактор и периодически орошается бактериальным субстратом через распылители, которые размещают внутри реактора, в верхней его части. Бактериальный субстрат – это жидкий инфильтрат, самопроизвольно стекающий из ранее отработанного материала. После орошения нового сырья для стимуляции начала процесса, реактор герметично закрывают, и в нём последовательно проходят те же стадии разложения биомассы, что и при мокром способе: гидролиз – кислотообразование – метанообразование. 

Производство бактериями горючего газа начинается не сразу после загрузки реактора, а спустя 2 – 3 недели. Срок начала продуктивной фазы работы установки зависит от характера сырья, его влажности, величины частиц компонентов, внешней температуры, её колебаний, частоты перемешивания и многих других факторов. До этого реактор должен быть герметично закрытым, а выводная труба через водяной замок выходить во внешнюю среду. Такая система необходима для того, чтобы исключить приток свежего, содержащего кислород воздуха вовнутрь и чтобы дать возможность свободно выходить углекислому газу, который будет образовываться почти сразу после загрузки реактора. Выделяемый во внешнюю среду газ периодически проверяется на горючесть – таким образом фиксируется начало образования метана. 

По качественным показателям производимый установкой продукт имеет плотность 1,16 – 1,27 кг/м³; запас его энергии в 1 м³ – около 5 – 9 кВтч, а калорийность (теплотворная способность) составляет 4500 – 7300 ккал/м³; температура воспламенения: 600 – 750°С. Для удобства восприятия можно привести такое сравнение: при сжигании 1 м³ биогаза для обогрева помещения выделяется такое же количество тепла, как при сжигании 1,5 кг каменного угля или же 3 – 4 кг дров, либо использовании 7 – 9 кВт/ч электроэнергии. 

После очистки от примесей, биогаз, полученный в установке, ничем не будет отличаться от природного, добытого из недр земли. Что же касается количества его производства, то оно во многом зависит от производственной мощности реактора, объёма сырья, его влажности и природы происхождения, т. к. различные органические продукты выделяют при разложении разное количество биогаза. 

Так, например, из тонны коровьего навоза влажностью 95% можно получить 22 м³ биогаза; из такого же навоза, но с влажностью 88% выделится до 43 м³. Переработка свиного навоза влажностью 95% даст 25 м³ биогаза; тот же продукт при влажности 85% выделит не более 62 м³ горючего. Из птичьего помёта с остатками подстилочного материала влажностью 60% за весь период разложения образуется до 90 м³ газа, а при влажности 75% и без примесей подстилочного материала можно получить около 105 м³ продукта. 

Солома и пожнивные остатки зерновых культур обладают большим потенциалом продуктивного разложения. В реакторе из 1 тонны такого сырья может синтезироваться до 425 м³ горючего! Из испорченного или по какой-то причине не пригодного для скармливания животным кукурузного силоса получается около 187 м³ газа (можно, конечно, использовать и качественный силос, но это не по-хозяйски!).

Если говорить о сырье, которое может служить в качестве корма для животноводческих ферм, то из одной тонны зелени получится 290 – 490 м³ газа. Наиболее продуктивны в этой категории бобовые травы: клевер, люцерна, вика, горох. Из свекольной ботвы биогазовая установка сможет выработать около 75 – 150 м³ метана, из мелассы получается до 630 м³, из фруктового или овощного жома – 108 м³, из свекольного жома с влажностью 75% – 160 м³. Кукурузная мезга выделяет до 85 м³ горючего газа. 

Для получения биогаза можно использовать и продукты переработки пивоваренного производства. Пивная дробина при влажности 75% может дать 138 м³ горючей смеси, а барда – 40 – 50 м³. Хорошим источником биогаза могут быть бытовые пищевые отходы (около 100 м³ газа) и отходы бойни, рыбоперерабатывающих и мясоперерабатывающих цехов. Кровь, кишечник, обрезки кожи, чешуя, рыбьи головы, хвосты, кости и мягкие ткани при разложении в реакторе дают 100 – 300 м³ биогаза. Очень большой потенциальный запас энергии у жира: из одной его тонны может получиться 1300 м³ газа, а из 1 тонны жировой пульпы – 250 м³. 

Как видим, любые органические отходы можно не только безопасно утилизировать в биогазовой установке, но ещё и получить от этого дополнительную выгоду в виде дешевого горючего и ценного органического удобрения, которое можно использовать на полях под любые культуры. Отработанная биомасса после производства метана содержит почти такое же количество ценных для растений компонентов, что и исходный материал, но все питательные вещества находятся в более доступной для растительного организма форме. В отработке также содержатся  макроэлементы и гуминовые кислоты. Использование этой органики как удобрения повышает урожайность сельскохозяйственных культур на 30 – 50%.

С начала активации продуктивного процесса биомасса в реакторе разлагается около месяца, а затем, после её полной выработки, заменяется на новую. Отработанный ил перемещают по трубе из реактора в специальный резервуар. Если конструктивно предусмотрено расположение сливного резервуара ниже самого реактора, то ил стекает в него по трубе самотёком через кран, без использования специального насоса. 

В результате работы метанообразующих бактерий и других микроорганизмов происходит выделение из органической массы газообразных веществ и скапливание их над жидкостью в реакторе. По мере накопления газы выходят по отводной тубе из реактора в накопительную ёмкость (газольдер, коллектор), по пути проходя фильтры, которые очищают полученный сырой продукт от присутствующих в его составе водяных паров, сероводорода, углекислого газа и прочих нежелательных примесей. 

Для очистки газа от сероводорода применяется фильтр из активированного угля, реагент в котором нужно менять один раз в два – три месяца. Для очистки биогаза от углекислого газа, его надо пропускать сквозь воду (по принципу водяного клапана). Суть метода очистки водой состоит в различном уровне растворимости углекислого газа и метана в воде. Проходя сквозь воду, углекислый газ в ней растворяется, а метан не успевает. Периодически, по мере накопления в воде углекислого газа, производится её замена на чистую. Чем больше объём воды в фильтре, тем реже её нужно менять. 

Для очистки метана от влаги оборудуют чиллер (проточная камера-охладитель, труба, в которой водяной пар конденсируется и оседает на стенках, после чего стекает в уловитель и периодически сливается через кран). В таком виде газ может быть направлен для хранения в коллектор и при возникновении потребности использован потребителями. 

Коллектор – очень важная часть установки, в нём готовое горючее собирается и хранится до возникновения потребности в его хозяйственном использовании. Коллекторы конструктивно могут быть разными. Для небольших домашних установок с объёмом реактора до 1 м³ достаточно нескольких резиновых тракторных шин. Для более масштабных производств коллектором могут служить герметичные полиэтиленовые шланги-мешки, которые обычно предназначены для хранения зерна или силоса, сенажа. Для промышленных биогазовых заводов потребуются большие специальные коллекторы-купола с двойной стенкой. 

В целях безопасности на выводной трубе коллектора следует установить кран и обратный клапан.  Объём коллектора рассчитывается таким образом, чтобы он соответствовал количеству продукта, вырабатываемого реактором при максимальной производительности за трехдневный период. Для аварийного сжигания метана рекомендуется соорудить и подключить к выходной трубе коллектора специальный факел, с помощью которого можно было бы при необходимости уничтожить часть газа, накопившегося в резервуаре. С целью создания необходимого давления газа, для нормальной работы бытовых потребителей, на выходе трубы из коллектора устанавливается специальный газовый насос. 

Газ, полученный из биогазовой установки, пригоден для использования аналогично природному, а после специальной очистки и переработки в газовый конденсат, им можно даже заправлять автомобили. 

Подводя итог, хочется обратить внимание на то, что производство биогаза имеет ряд преимуществ: 

Во-первых, это экологичность самого процесса производства и произведённого продукта. Во время разложения биомассы в атмосферу не выделяется никаких вредных веществ. Углекислый газ, который появляется в первые две – три недели после заполнения реактора сырьём, выделяется в незначительном объёме, и его можно направлять в теплицу, где он в светлое время суток будет поглощён растениями и использован для синтеза органических веществ, в процессе фотосинтеза. 

Сгорая, биогаз также выделяет в окружающую среду углекислый газ и серу. Но уровень такого загрязнения настолько незначителен, что биогаз можно использовать на кухне, в жилом помещении и при этом никак не обнаруживать продукты сгорания органолептически. В естественных условиях протекание процесса разложения перерабатываемой органической биомассы сопровождалось бы выделением таких же продуктов распада, с той только разницей, что в этом случае метан просто улетучивался бы в атмосферу.

Применение контролируемой переработки биоотходов позволяет использовать биогаз в качестве возобновляемого источника энергии. Кроме того, стоит помнить, что метан оказывает влияние на развитие парникового эффекта на планете в 20 раз большее, чем углекислый газ, и мы, перерабатывая его, тем самым частично замедляем развитие глобального потепления. 

Во-вторых, это возобновляемость сырья и его дешевизна. Сырьём для производства биогаза может служить любая органика, при этом мы ещё попутно решаем вопрос утилизации многих органических отходов с выгодой для хозяйства и без угрозы для окружающей среды. К примеру, осенью на улицах любого населённого пункта появляется огромное количество опавших листьев. Иногда это становится настоящей проблемой. Сжигать их, способствуя не только ухудшению экологии, но и нанося непоправимый вред здоровью человека, категорически запрещено на законодательном уровне, а вывозить – дорого. В итоге, зачастую можно наблюдать как большие кучи листьев просто лежат на обочине или разносятся ветром по всей территории. А ведь они могут служить прекрасным сырьем для получения биогаза. Кроме листьев в биогазовых установках можно очень дёшево утилизировать отходы животного происхождения, предназначенные для вынужденной переработки в мясо-костную муку. 

В-третьих, побочный продукт производства биогаза – отработка, оставшаяся после завершения метанообразования, является ценным удобрением. Применение её на полях может обеспечить качественное, полноценное питание культур. Это удобрение не агрессивно по отношению к почве и почвообразующей микрофлоре, а также легко усваивается растениями, не требуя дополнительного времени на преобразование.

К отрицательным сторонам синтеза биогаза можно условно отнести неравномерность процесса выделения метана на протяжении периода переработки одной загрузки, трудоёмкость на некоторых этапах производства (заполнение реактора сырьём и удаление из него отработанного ила), дороговизну оборудования и материалов при сооружении биогазовой установки. 

Кстати, на экономической стороне организации биогазового производства стоит остановиться отдельно. Сооружение биогазовой установки – достаточно затратное дело, и окупается оно не сразу. А срок службы установки, согласно гарантии производителя – 15 лет. Существенно сэкономить на проекте можно, сделав часть работ и некоторые элементы установки самостоятельно, из подручных материалов. Так, например, многие строительные работы (копание ям, постройка защитных ограждений и пр.) можно осуществить своими силами, а в качестве реактора использовать любые герметически закрывающиеся емкости (бочки объемом 200 л, служившие тарой для различных материалов, старые цистерны для перевозки молока), либо сварить его из шести листов стали собственноручно. 

Также вполне допустимо использовать в конструкции пластиковые трубы и краны, которые менее трудоемки в монтаже и намного дешевле металлических. Целые камеры от тракторных колёс отлично послужат в качестве накопителя газа. Конечно, какую-то часть оборудования придется всё же приобрести, но чем больше удастся сделать своими руками, тем скорее окупится проект, и тем скорее можно будет пользоваться газом собственного производства.

Успешного вам хозяйствования и энергетической независимости!

способ получения биогаза из экскрементов животных — патент РФ 2526993

Изобретение относится к переработке органических отходов с использованием биотехнологических процессов и получению биогаза. Способ получения биогаза из экскрементов животных включает предварительную обработку органического субстрата путем доведения его до влажности 90% с последующим измельчением субстрата до размера частиц от 0,5 до 0,7 см. Вводят органический катализатор и осуществляют сбраживание в анаэробной среде и сбор биогаза. В качестве органического катализатора используют отходы молочного производства в объеме от 5% до 10% от массы органического субстрата. Сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 22°С. Изобретение позволяет интенсифицировать процесс метанового брожения навоза с увеличением выхода биогаза и повышенным содержанием метана в нем. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2526993

Изобретение относится к способам переработки органических отходов с использованием биотехнологических процессов и получения при этом биогаза.

Биогаз — это дешевый и доступный способ получения энергии. В настоящее время разработано и применяется достаточно большое количество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариантов температурного режима, влажности, концентрации микробной массы, длительности протекания реакции и т.д. Однако на сегодня актуальным остается вопрос поиска наиболее эффективных, дешевых и доступных способов интенсификации процесса получения биогаза при различных температурных режимах.

Известен способ анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления (патент RU 2073401, заявка № 92009236, дата приоритета 01.12.1992 г., дата публикации 20.02.1997 г., кл. А01С 3/00, C02F 3/00). Сущность известного изобретения состоит в том, что анаэробное сбраживание органических отходов осуществляют последовательно во внешней и внутренней камерах метантенка, а перемешивание сбраживаемых отходов во внешней камере осуществляют путем подачи в нее вводимых в ментантек органических отходов.

Недостатком известного изобретения является то, что не используются условия, повышающие содержание метана в биогазе.

Известен способ получения биогаза из экскрементов животных (патент WO 2012/152266, заявка PCT/DE2012/100124, опубл. 15.11.2012 г., кл. С12Р 5/02). Указанное решение заявлено первоначально в Германии и в 116 странах мира и предполагает несколько стадий брожения для отделения метана. В качестве исходного субстрата используется жидкий навоз или куриный помет. Первый этап брожения происходит в течение от 1 до 4 дней с добавлением фермента, а затем раствора аммиака. После чего происходит отделение газа, содержащего около 50% СО₂, H₂S, NH ₃. Затем проводится повторная ферментации от 10 до 30 дней при температуре от 35°С и выше, определенной кислотности и после этого повторно отделяют биогаз, содержащий метан до 75%.

Недостатком известного решения является длительность процесса и сложность его применения, например, небольшими фермерскими хозяйствами. Кроме того, поддерживается достаточно высокий температурный режим реакции.

За прототип принят известный способ метанового сбраживания навозных стоков (патент RU 2413408, заявка № 2009138011, дата приоритета 15.10.2009 г., дата публикации 10.03.2011 г., кл. А01С 3/00, C02F 11/04, C02F 3/34). Сущность способа заключается в том, что в жидкий субстрат вводят метаногенерирующие культуры при поддержании кислотности среды в диапазоне рН 6,5-7,8 и температуры до 37,5°С.

Недостатком этого способа являются затраты теплоэнергии на подогрев и поддержание реактора при температуре 37,5°С, что неприемлемо для регионов с холодным климатом.

Навоз содержит все необходимые для метанового сбраживания бактерии, следовательно, нет необходимости дополнительно вводить метаногенерирующие структуры, необходимо лишь обеспечить уже имеющимся бактериям оптимальные условия для их жизнедеятельности.

Техническим результатом настоящего изобретения является интенсификация процесса метанового брожения навоза с увеличением выхода биогаза и повышенным содержанием метана в нем.

Предлагается способ получения биогаза из экскрементов животных, включающий предварительную обработку органического субстрата путем доведения его до влажности 90% с последующим измельчением, введение органического катализатора, сбраживание в анаэробной среде, сбор биогаза.

Отличием является то, что субстрат измельчают до размера частиц от 0,5 до 0,7 см, а в качестве органического катализатора используют отходы молочного производства в объеме от 5% до 10% от массы органического субстрата и сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 22°С.

Другим отличием является то, что в качестве отходов молочного производства используют молочную сыворотку.

Термин «биогаз», используемый в формуле, относится к газу, получаемому в результате распада органического материала в отсутствии кислорода. Описываемый тип газа — биогаз включает в себя главным образом метан и двуокись углерода, в незначительных объемах сероводород.

Термин «органический субстрат» предполагает использование навоза, полученного в результате жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы.

Термин «анаэробное сбраживание» относится к описанию процесса разложения органического субстрата микроорганизмами, осуществляющими свою жизнедеятельность в безкислородной среде, с сопутствующим синтезом метана, двуокиси углерода и в небольших количествах сероводорода.

Термин «отходы молочного производства» предполагает использование любых остатков производства, содержащих отходы после обработки и переработки молочного сырья на производстве, включающие в себя отдельные органические и минеральные элементы молока, например сыворотку, пахту и др.

Отходы молочного производства в настоящее время используются частично. Например, молочная сыворотка в больших объемах утилизируется. При этом отходы молочного производства благодаря своему богатому химическому составу имеют все необходимые микроэлементы и витамины для создания благоприятной среды для метаногенерирующих бактерий. Каждый вид микроорганизмов анаэробного размножения отличается специфической потребностью в макровеществах, микроэлементах и витаминах. Концентрация и доступность этих компонентов влияют на скорость роста и активность жизнедеятельности популяций. Именно это свойство бактерий и было использовано в предлагаемом изобретении. Результатом жизнедеятельности этих бактерий является биогаз, содержащий метан. Следовательно, улучшая условия для жизнедеятельности метанообразущих бактерий можно достигнуть заявленного выше технического результата.

Для этого органический субстрат предварительно увлажняют до 90% и измельчают его до размера частиц от 0,5 до 0,7 см. Вводится молочная сыворотка в объеме от 5% до 10%, используемая в виде «подкормки» для бактерий. Создаются при этом оптимальные условия для процесса брожения. Брожение осуществляется строго в рамках заданного температурного режима от 17°С до 22°С.

Научные разработки подтверждены экспериментальными исследованиями, подтверждающими влияние существенных признаков заявляемой формулы изобретения на получение технического результата.

Исследования проводились в ФГБОУ «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт» на базе проблемной научно-исследовательской лаборатории АгроБиоТехнологий в лабораторных биогазовых установках объемом 20 л. В качестве органического субстрата использовался подстилочный навоз крупнорогатого скота. Для исключения влияния качества исходного субстрата на результат исследования, каждая партия навоза была сформирована при определенных режимах кормления стада.

Первоначально субстрат доводился до уровня влажности 90%. Затем его измельчали до размера частиц от 0,5 до 0,7 см. Как показали исследования, размер твердых частиц субстрата имеет принципиальное значение, влияющее на скорость выделения биогаза из навоза крупнорогатого скота при разных температурах. Размер частиц влияет на способность бактерий больше «поглощать», выделяя при этом больший объем биогаза. Указанный в формуле размер частиц является оптимальным для заданного температурного режима, что подтверждено исследованиями.

В процессе эксперимента добавляли молочную сыворотку в следующих объемах от массы загружаемого органического субстрата:

1%, 5%, 10% и 15%. На каждом этапе проводился отбор и анализ содержания проб полученного биогаза.

Влияние различных концентраций молочной сыворотки на выход биогаза при анаэробной обработке навоза крупно-рогатого скота показаны на фиг.1. Результат при использовании контрольного образца без добавления молочной сыворотки показан 1, образец с добавлением сыворотки в количестве 1% от массы органического субстрата 2, образец с добавлением сыворотки в количестве 5% 3, 10% сыворотки показано 4, 15% сыворотки показано 5.

Наиболее оптимальной концентрацией молочной сыворотки является внесение сыворотки в количестве от 5% до 10%. Для стабильности процесса, как показали исследования, необходимо уравновешенное соотношение питательных макровеществ и микроэлементов. При использовании указанной концентрации получен наибольший выход биогаза при относительно невысоких температурах брожения. Содержание метана в пробе выделяющегося биогаза составило 58%. Стабильный выход биогаза был получен уже на 7 день брожения. Аналогичные результаты известны при более высоких температурных режимах сбраживания органического субстрата.

Использование большего количества молочной сыворотки не улучшают показатели общего выхода биогаза, в том числе метана. Следовательно, увеличение концентрации молочной сыворотки нерентабельно.

Применение предлагаемого способа получения биогаза из экскрементов животных позволит получать дешевый источник энергии в условиях даже небольших фермерских хозяйств, без применения дорогостоящих катализаторов и ферментов. Одновременно получается органическое удобрение — эффлюент, экологически чистый, легкодоступный для растений.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения биогаза из экскрементов животных, включающий предварительную обработку органического субстрата путем доведения до влажности 90% с последующим измельчением, введение органического катализатора, сбраживание в анаэробной среде, сбор биогаза, отличающийся тем, что субстрат измельчают до размера частиц от 0,5 до 0,7 см, а в качестве органического катализатора используют отходы молочного производства в объеме от 5% до 10% от массы органического субстрата и сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 22°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве отходов молочного производства используют молочную сыворотку.