Получение биогаза своими руками

Что вы знаете о биогазовых установках? Наверняка, многие наши читатели либо слабо знакомы с данной темой, либо думают, что это большие промышленные и очень сложные штуки, которые своими руками не построить. Отчасти так и есть. Если помониторить тему в сети, то сначала наверняка попадутся фото громадных установок, которые продаются за баснословные деньги. Их предлагают для промышленного производства биогаза. Но тот же интернет, как бездонный источник информации, способен выдать куда более интересные и доступные варианты. О них и пойдёт речь в данной статье.

Что такое биогаз

Биогазом называют продукт переработки органики анаэробными бактериями. В его составе основную часть занимает метан – в среднем 60-80%. На втором месте стоит углекислый газ, а за ним – в очень малых количествах водород и сероводород. По свойствам биометан ничем не отличается от добываемого природного газа. Он используется для приготовления пищи, заправки автомобилей, нагрева воды и получения электроэнергии. Готовый биометан представляет собой очищенный продукт, из которого удалены газы CO₂, H₂, H₂S.

Производство биогаза – не только выгодный процесс, завершающийся получением энергоёмкого газа и ценного удобрения. Но также мероприятие, способствующее уменьшению парникового эффекта. Этот газ в любом случае выделяется при переработке органики. Но если процесс проходит обычным способом, метан улетучивается в атмосферу. При организации биореактора этого не происходит.

Примечательно то, что огромное количество биометана выбрасывается в атмосферу на мусорных свалках. Дармовая энергия уходит в никуда. Люди засоряют природу и теряют ценный потенциал органических отходов.

Биогазовые установки своими руками

Получать биогаз самостоятельно может каждый желающий. Для этого нужно сделать всего две вещи: собрать небольшую установку и запастись подходящим органическим сырьём. Рассмотрим вопрос подробнее.

Из чего можно получать биогаз?

Для получения биогаза подходят практически любое доступное органическое сырьё. Проще всего добывать биометан из свежего навоза и помёта. Можно также брать какие-либо растительные остатки, и даже жир. Из него самый большой выход метана. Один килограмм сухого вещества способен дать до 500 л газа. Есть энергетические культуры, из которых можно получить больше биогаза, чем из остальных растений. Это сильфия, кукуруза и некоторые водоросли.

Питательный субстрат можно получать из четырёх основных видов органики:

• навоза/помёта;

• пищевых отходов;

• остатков различных растений;

• отходы от переработки мясной продукции.

Технология и оборудование

Биогаз можно получить своими руками. Это подтвердил Жан Пейн, сделавший свой дом полностью автономным в 70-х годах 20-говека. А самые первые установки были созданы в Индии в середине 19-го века. Не стоит пугаться сложности и громоздкости современного оборудования для получения биометана. В домашних условиях можно сделать установку значительно проще – она тоже будет работать.

Для такого дела понадобится ёмкость цилиндрической формы, которая будет обязательно закрываться герметично. Её можно сделать из металлической бочки или выложить из кирпича/камня/блоков с армированием и нанесением внутри слоя гидро- и газоизоляции. Без этого никак. Ёмкость может быть выполнена из любых материалов, позволяющих создать герметичные соединения и не вредящих жизнедеятельности анаэробных бактерий.

У основания биореактора должно быть специальное отверстие для удаления отработанного сырья. Его также нужно закрывать герметично, чтобы газ не выходил наружу в процессе брожения биомассы. Размер ёмкости может быть разным, он зависит от количества имеющегося сырья. Реактор должен быть заполнен не менее чем на 2/3. Остальная часть предусматривается для выделяющегося газа. Его выделяется в среднем от 50 до 200 кубометров из тонны сырья.

Показатели могут отличаться, потому что на них влияют масса разных факторов. Точное количество биогаза покажет практика. Самой большой энергоёмкостью отличается кукуруза – она даёт до 500 кубометров с тонны.

Схема самого простого биореактора:

1) Бочка на 250 литров.

Лучше всего взять пластиковую бочку. Она позволяет делать герметичные соединения и постепенно добавлять субстрат. Срок её работы с дозаправками практически неограничен, чего не скажешь о металлических ёмкостях. Их загружают один раз на 2-3 месяца, пока идёт активная выработка газа. После этого полностью освобождают от содержимого и загружают заново. То есть пополнение и слив здесь не применяется. Причина в сложности создания герметичных соединений из-за тонкого металла.Поэтому далее опишем конструкцию биореактора из пластиковой бочки, который позволяет догружать сырьё и удалять отработанный субстрат.

Для неё делают внешнюю теплоизоляцию, обматывая подходящим изоляционным материалом, потом подложкой-утеплителем для полов и сверху стрейч плёнкой или полиэтиленом. Внешний защитный слой создаётся с целью удержания достаточной температуры внутри бочки, которая нужна для работы микроорганизмов. Такую бочку можно поставить даже в хозяйственном помещении жилого дома.

2) Организация входа и выхода субстрата.

Они нужны для добавления органического сырья и слива отработанных отходов. Применяются серые канализационные трубы небольшого диаметра, которые используются в водоотведении квартир и домов. Для слива делается труба с «носиком» с помощью переходников – чтобы жидкость сливалась вниз. Для пополнения – труба с воронкой, направленная вверх. Все соединения тщательно замазываются резиновымгерметиком – как внутри, так и снаружи.

Трубы являются частью системы сообщающихся сосудов. Их верхние части расположены чуть выше уровня субстрата в реакторе. При добавлении смеси в одну трубу, из другой выливается столько же «отработки». Обе трубы входят в бочку примерно на высоте 20 см от пола.

3) Фильтры.

На выходе биогаза из биореактора ставят фильтры для очистки – один с водой и гашеной известью, другой с силикагелем, третий с металлической стружкой. Резервуары первых двух фильтров стандартные – используемые для очистки водопроводной воды. Третий представляет собой горизонтально расположенный отрезок серой канализационной трубы со штуцерами по бокам (с обработкой каучуковым герметиком). Труба небольшого диаметра, используемая в квартирах/домах.

Первый фильтр очищает от CO₂, второй от H₂O, третий от H₂S. Примесь водорода очень незначительная и не влияет на свойства биогаза, поэтому для него фильтров не ставят. 

4) Шланг.

От биореактора до фильтров идёт прозрачный шланг небольшого диаметра. При выходе с бочки на него ставят штуцерный кран, позволяющий при надобности перекрывать поток.

После фильтров газ направляется в ёмкость для накопления/хранения.

5) Ёмкость для газа.

Народные умельцы используют для этого не только стандартные газовые баллоны, но и герметично запаянные рукава из плотного полиэтилена.

6) Механизм перемешивания.

Он состоит из стержня, выходящего из центра крышки, надетой на него куска пластиковой трубы внутри бочки и двух покрашенных металлических уголков, прикреплённых перпендикулярно на двух уровнях. К ним подсоединяются половинки отрезков пластиковых канализационных труб, выполняющих функцию лопастей.

Такая конструкция делается для перемешивания субстрата. Сверху на стержень крепится ручка, позволяющая вертеть его в горизонтальной плоскости. А снизу он стоит на крестовине из хвойной древесины, более устойчивой к гниению. Периодическое перемешивание способствует лучшей переработке органики. Его необходимо обязателоно проводить сразу после добавления очередной порции субстрата.

7) Отопление.

Внутри бочки спирально укладываются металлопластиковые трубы, заходящие внутрь и выходящие через штуцера. Через них проходит нагретая вода, поддерживающая необходимую температуру субстрата. 

Без подогрева могут быть следующие параметры:

• минимальные – 18 градусов;

• оптимальные – 20-28 градусов, самый большой выход газа при температуре 23 градуса;

• не эффективные – ниже 15 градусов, в таких условиях получение биогаза становится нерентабельным. 

В зимнее время года желательно подогревать реактор до оптимальной температуры.

В промышленных условиях используется три варианта режимов:

• психофильный – без подогрева, когда температура окружающей среды позволяет поддерживать описанные выше оптимальные параметры;

• мезофильный – нагрев производится от 30 до 40градусов;

• термофильный – субстрат нагревают до 54 градусов и выше.

В каждом из режимов участвуют соответствующие названию бактерии. Мезофильный и термофильныйрежимы позволяют ускорять сбраживание. Но требуют больше затрат на отопление. В домашних условиях при небольшом количестве сырья их создание может быть нецелесообразным. 

Преимущество термофильного режима – самый активный выход биогаза и полное уничтожение болезнетворных бактерий в получаемом удобрении. Недостатки – нужно много энергии на подогрев и удобрение хуже по качеству/ценности. При температуре 70-75 градусов метагены способныразлагать древесину.

Мезофильный режим даёт более ценное удобрение, но не позволяет полностью его обеззаразить. Его можно назвать самым оптимальным из-за того, что скорость переработки органики высокая, а затраты на обогрев умеренные.

Важно знать: метанобразующие бактерии могут вести свою жизнедеятельность только в анаэробной среде. Это значит, что в бочке вообще не должно быть воздуха. Именно поэтому так важна герметичность соединений. Нельзя допускать попадание кислорода внутрь ёмкости.

Выход биогаза зависит от того, какие питательные веществаи в каком количестве есть в составе сырья. Для работы анаэробных бактерий помимо углерода и азота нужен целый перечень микроэлементов. Весь необходимый набор есть в навозе.

Описание самого простого домашнего реактора позволяет сформировать представление о биореакторах в целом и принципах их работы. При надобности устройство можно масштабировать или модифицировать, если оно будет выполняться из других материалов.

Запуск биореактора

Для того чтобы реактор начал свою работу, нужно заполнить его органическим субстратом не менее чем на две трети. И заселить его метаногенами – бактериями, перерабатывающими органику в метан в условиях отсутствия кислорода. Они есть в заболоченных местах и кишечнике млекопитающих. Эти микроорганизмы живут в температурном диапазоне – от 0 до 70 градусов. Для их эффективной работы субстрат должен быть хотя бы на 50% состоять из воды.

Метаногены можно взять из коровьего навоза. Их перемешивают с субстратом и герметично закрывают реактор. На тонну субстрата нужно 50-60 л свежего навоза. Газ начинает идти примерно через неделю (+/-). Если температура не достаточно высокая, скорость переработки может быть ниже, соответственно, биометан пойдёт позже.Подогрев до 30 градусов ускоряет процессы переработки.

До появления метана из реактора активно выходит углекислый газ.

Загрузка и выгрузка субстрата

Питательный субстрат находится в жидкой форме. Он состоит из измельчённых частей органики, перемешанных с водой. Воды в субстрате должно быть 50-80%. Новая порция составляет 5-7% от общего объёма субстрата в бочке.

Навоз нужно довести водой до кашеобразного состояния и можно сразу же загружать в реактор. С птичьим помётом так делать нельзя, потому что в нём много азота. Сначала необходимо залить его водой и подержать в открытом виде три дня. Это понизит его кислотность путём гидролиза и позволит использовать для питания бактерий. Без такой процедуры они могут погибнуть. Кислотно-щелочной баланс субстрата должен находиться в пределах pH = 6.5-8.5. Оптимальная цифра составляет pH = 7. Для доведения субстрата до таких параметров можно добавлять в него известковое молочко (известь пушонка, разбавленная водой).

Пищевые отходы и растительные остатки нужно измельчать и разбавлять водой до состояния кашицы. Допустимо использовать для этого любую органику. Мясокостные остатки тоже подходят для получения биогаза, больше всего метана дают жирные – больше 1000 кубометров с тонны.Стоит использовать для этого растительные жиры. Например, оставшиеся после приготовления картофеля фри или курицы гриль. Такие остатки наверняка можно бесплатно забирать в точках общественного питания.Любые органические отходы можно смешивать между собой в любых пропорциях и добавлять в реактор.

Подходящей культурой является эйхорния – водный гиацинт, который легко выращивать на своём участке. В воду, в которой он растёт, можно добавлять переработанный субстрат из бочки, тем самым проводя циклический процесс: растения пускать на корм бактериям в реакторе, а продукт их жизнедеятельности – на корм растениям. Получается замкнутый эффективный цикл.

Отработанная смесь представляет собой жидкость коричневого цвета. Она выходит самотёком при добавлении субстрата, причём в таком же объёме. Биореактоа может работать неограниченное количество времени при периодичной загрузке/выгрузке. После добавления новой порции органика начинает выдавать газ уже через полчаса.

Если необходимо произвести полную выгрузку субстрата либо провести какие-то ремонтные работы, можно отлить в отдельную герметичную ёмкость небольшое количество субстрата. Достаточно 100-200 л с биореактора на 5 кубометров. То есть примерно до 4%. В этой жидкости есть метаногены. 

При следующей новой закладке реактора не нужно заново заселять субстрат новыми бактериями, достаточно использовать имеющиеся в качестве закваски. Они позволяют сэкономить ресурсы и ускорить процесс переработки.

Вопросы и ответы

Рассмотрим распространённые вопросы, возникающие у людей, интересующихся темой самостоятельного получения биогаза:

• Сколько метана в среднем даёт описанный реактор?

Бочка, которая содержит около 230 л субстрата, даёт в среднем 200-300 л газа в сутки. В зимний период может больше, когда в процентном соотношении добавляется больше жира (из пищевых отходов). Летом основная часть – это измельчённые растения.

• Как часто нужно добавлять субстрат?

В среднем через день-два. Нежелательно растягивать промежуток более чем на два дня. Бактерии быстро съедают органику и нуждаются в новой пище. Если вовремя не доливать питательный субстрат, упадёт выход газа. 

• Есть ли у газа запах?

Несмотря на то, что метан не имеет своего запаха, биогаз всё-таки пахнет и не нуждается в добавлении одорантов. Причина в небольшом содержании сероводорода, который остаётся в газовой смеси, несмотря на очистку.

• Как метаногены реагируют на давление?

Они не любят повышения давления. Из-за этого они впадают в анабиоз, из-за чего выработка газа сильно снижается.

• Где взять бактерии для реактора?

Самый простой и доступный вариант – коровий навоз. Важно брать как можно более свежий, потому что метаногены на воздухе погибают.

• Кода начинает выделяться газ?

Если в реакторе подходящая температура и заселено достаточно бактерий, горючий газ пойдёт на 4-5 день, максимум через неделю. До этого сначала активно выходит углекислота.

• Стоит ли добавлять в биореактор дрожжи?

Нет. Это грибки, которые не участвуют в образовании метана. Они не оказывают положительного влияния на выход газа, который является продуктом жизнедеятельности бактерий.

• Какая установка нужна для отопления дома?

1 кубометр биометана выделяет до 6 кВт тепла. Расход на отопление зависит от площади дома и его теплопотерь. Те в свою очередь – от степени и качества утепления. Для отопления среднестатистического жилья нужно от 7-10 кубометров газа в сутки. Такое количество может произвести установка примерно такого же объёма. Это значит, что нужно делать соответствующийбиореактор. Но лишь в том случае, когда для него будет постоянное сырьё на протяжении всего отопительного периода. Если найти большое количество органики и загрузить его одноразово, она установка будет работать месяца до двух.

• Как и где использовать отработанный субстрат?

Жидкость, которая выходит из биогазовой установки – это биогумус, ценное удобрение. Он продаётся в магазинах для садоводства/огородничества. Его можно использовать на своём огороде, продавать, давать родственникам/знакомым и удобрять комнатные цветы. Если такой отработке дать постоять в незакрытом виде пару часов, в ней погибнут все метаногены. Такая жидкость не вызовет процессов газообразования.

• Из какого материала лучше делать биогазовую установку?

Можно использовать не только пластиковые. Но и металлические ёмкости. Но они недолговечны. Органические кислоты и сероводород постепенно разъедают металл. Не повреждаются только бочки из нержавейки, которые стоят дороже пластиковых. Второй минус в том, что металлические бочки нужно разгружать и загружать полностью. Со временемтакие ёмкости нужно заменять новыми.

• Что такое биореактор непрерывного действия?

Это установка, которая может работать сколь угодно долго с дозагрузкой смеси и выгрузкой переработанного субстрата. В отличие от реактора периодического действия, где органика загружается один раз до полной переработки, непрерывный не требует сразу большого количества субстрата – его можно догружать небольшими порциями. Это удобно и выгодно.

• Есть ли осадок в реакторе?

Нет, отработанный субстрат жидкий. В ёмкости ничего не оседает благодаря периодическому перемешиванию.

• Чем можно измельчать растительные отходы?

Если нет специального измельчителя, можно соорудить насадку на дрель и с её помощью делать субстрат в ведре. Насадка представляет собой две заточенные лопасти, сделанные из полотна ножовки по металлу. Они прикручены к шпильке перпендикулярно друг к другу на расстоянии 5 см.

Биореактор Жана Пейна

В статье «Отопление дома с помощью компоста» упоминалось о том, что французский лесник получал биогаз параллельно с нагревом воды в компостном кургане. В его центре стоял резервуар с жидким органическим субстратом, в который был добавлен навоз. 

Это отличный вариант для биогазовой установки, которую не нужно специально обогревать. В кургане держалась температура, которая запускала мезофильный и термофильный режимы, благодаря чему шла интенсивная выработка биометана. Таким образом, Жан Пейн ещё в 70-х годах прошлого века создал отличную биосистему, которая давала газ, тепловую энергию и удобрение. Это самое эффективное использование органики.