Отримання біогазу своїми руками

Що ви знаєте про біогазові установки? Напевно, багато наших читачів або слабо знайомі з цією темою, або думають, що це великі промислові та дуже складні штуки, які своїми руками не побудувати. Частково так і є. Якщо помоніторити тему в мережі, то спочатку, напевно, трапляться фото величезних установок, які продаються за нечувані гроші. Їх пропонують для промислового виробництва біогазу. Але той самий інтернет, як бездонне джерело інформації, здатний видати куди більш цікаві та доступні варіанти. Про них і йтиметься у цій статті.

Що таке біогаз

Біогаз називають продукт переробки органіки анаеробними бактеріями. У його складі основну частину займає метан – у середньому 60-80%. На другому місці стоїть вуглекислий газ, а за ним – у дуже малих кількостях водень та сірководень. За властивостями біометан нічим не відрізняється від природного газу, що видобувається. Він використовується для приготування їжі, заправки автомобілів, нагрівання води та отримання електроенергії. Готовий біометан є очищеним продуктом, з якого видалені гази CO₂, H₂, H₂S.

Виробництво біогазу – не лише вигідний процес, що завершується отриманням енергоємного газу та цінного добрива. Але також захід, що сприяє зменшенню парникового ефекту. Цей газ у будь-якому разі виділяється під час переробки органіки. Але якщо процес проходить звичайним способом, метан випаровується в атмосферу. При організації біореактора цього немає.

   Примітно те, що величезна кількість біометану викидається в атмосферу на сміттєзвалищах. Дармова енергія йде в нікуди. Люди засмічують природу та втрачають цінний потенціал органічних відходів.

Біогазові установки своїми руками

Отримувати біогаз самостійно може кожен охочий. Для цього потрібно зробити всього дві речі: зібрати невелику установку і запастися відповідною органічною сировиною. Розглянемо питання докладніше.

З чого можна отримувати біогаз?

Для отримання біогазу підходять практично будь-яка доступна органічна сировина. Найпростіше видобувати біометан зі свіжого гною та посліду. Можна також брати якісь рослинні залишки, і навіть жир. З нього найбільший вихід метану. Один кілограм сухої речовини може дати до 500 л газу. Існують енергетичні культури, з яких можна отримати більше біогазу, ніж з інших рослин. Це сильфія, кукурудза та деякі водорості.

Поживний субстрат можна отримувати із чотирьох основних видів органіки:

• гною/посліду;

• харчових відходів;

• залишків різних рослин;

• відходи від переробки м'ясної продукції.

Технологія та обладнання

Біогаз можна одержати своїми руками. Це підтвердив Жан Пейн, який зробив свій будинок повністю автономним у 70-х роках 20-го століття. А найперші установки були створені в Індії в середині 19 століття. Не варто лякатися складності та громіздкості сучасного обладнання для отримання біометану. У домашніх умовах можна зробити установку значно простіше – вона також працюватиме.

Для такої справи знадобиться ємність циліндричної форми, яка обов'язково закриватиметься герметично. Її можна зробити з металевої бочки або викласти з цегли/каменю/блоків з армуванням та нанесенням усередині шару гідро- та газоізоляції. Без цього ніяк. Місткість може бути виконана з будь-яких матеріалів, що дозволяють створити герметичні сполуки і не шкодять життєдіяльності анаеробних бактерій.

В основі біореактора має бути спеціальний отвір для видалення відпрацьованої сировини. Його також потрібно закривати герметично, щоб газ не виходив назовні у процесі бродіння біомаси. Розмір ємності може бути різним, він залежить кількості наявної сировини. Реактор має бути заповнений не менше ніж на 2/3. Решта передбачається для газу, що виділяється. Його виділяється в середньому від 50 до 200 кубометрів із тонни сировини.

Показники можуть відрізнятися, тому що на них впливають багато різних факторів. Точну кількість біогазу покаже практика. Найбільшою енергоємністю відрізняється кукурудза – вона дає до 500 кубометрів із тонни.

Схема найпростішого біореактора:

1) Бочка на 250 л.

Найкраще взяти пластикову бочку. Вона дозволяє робити герметичні сполуки та поступово додавати субстрат. Термін її роботи з дозаправками практично необмежений, чого не скажеш про металеві ємності. Їх завантажують один раз на 2-3 місяці, поки триває активне виробництво газу. Після цього повністю звільняють від вмісту та завантажують заново. Тобто поповнення та злив тут не застосовується. Причина в складності створення герметичних з'єднань через тонкий метал.

Для неї роблять зовнішню теплоізоляцію, обмотуючи відповідним ізоляційним матеріалом, потім підкладкою-утеплювачем для підлог та зверху стрейч плівкою або поліетиленом. Зовнішній захисний шар створюється з метою утримання достатньої температури всередині бочки, яка потрібна для мікроорганізмів. Таку діжку можна поставити навіть у господарському приміщенні житлового будинку.

2) Організація входу та виходу субстрату.

Вони потрібні для додавання органічної сировини та зливу відпрацьованих відходів. Застосовуються сірі каналізаційні труби невеликого діаметру, що використовуються у водовідведенні квартир та будинків. Для зливу робиться труба з "носиком" за допомогою перехідників - щоб рідина зливалася вниз. Для поповнення – труба з лійкою, спрямована вгору. Усі з'єднання ретельно замазуються гумовим герметиком – як усередині, і зовні.

Труби є частиною системи сполучених судин. Їхні верхні частини розташовані трохи вище рівня субстрату в реакторі. При додаванні суміші в одну трубу з іншої виливається стільки ж «відпрацювання». Обидві труби входять у діжку приблизно на висоті 20 см від підлоги.

3) Фільтри.

На виході біогазу з біореактора ставлять фільтри для очищення – один із водою та гашеним вапном, інший із силікагелем, третій із металевою стружкою. Резервуари перших двох фільтрів стандартні – використовувані для очищення водопровідної води. Третій є горизонтально розташований відрізок сірої каналізаційної труби зі штуцерами з боків (з обробкою каучуковим герметиком). Труба невеликого діаметру, яка використовується в квартирах/будинках.

Перший фільтр очищає від CO₂, другий від H₂O, третій від H₂S. Домішка водню дуже незначна і не впливає на властивості біогазу, тому для нього не ставлять фільтрів.

4) Шланг.

Від біореактора до фільтрів прозорий шланг невеликого діаметру. При виході з бочки на нього ставлять штуцерний кран, що дозволяє при необхідності перекривати потік.

Після фільтрів газ направляється у ємність для накопичення/зберігання.

5) Ємність для газу.

Народні умільці використовують для цього не лише стандартні газові балони, а й герметично запаяні рукави із щільного поліетилену.

6) Механізм перемішування.

Він складається із стрижня, що виходить із центру кришки, одягненої на нього шматка пластикової труби всередині бочки та двох пофарбованих металевих куточків, прикріплених перпендикулярно на двох рівнях. До них приєднуються половинки відрізків пластикових каналізаційних труб, що виконують функцію лопатей.

Така конструкція виготовляється для перемішування субстрату. Зверху на стрижень кріпиться ручка, що дозволяє крутити його горизонтальній площині. А знизу він стоїть на хрестовині з хвойної деревини, більш стійкої до гниття. Періодичне перемішування сприяє кращій переробці органіки. Його необхідно обов'язково проводити відразу після додавання чергової порції субстрату.

7) Опалення.

Усередині бочки спірально укладаються металопластикові труби, що заходять усередину і виходять через штуцер. Через них проходить нагріта вода, що підтримує потрібну температуру субстрату.

Без підігріву можуть бути такі параметри:

• мінімальні – 18 градусів;

• оптимальні – 20-28 градусів, найбільший вихід газу за температури 23 градуси;

• не ефективні – нижче 15 градусів, за таких умов отримання біогазу стає нерентабельним.

Взимку бажано підігрівати реактор до оптимальної температури.

У промислових умовах використовуються три варіанти режимів:

• психофільний – без підігріву, коли температура довкілля дозволяє підтримувати описані вище оптимальні параметри

• мезофільний – нагрівання виробляється від 30 до 40 градусів;

• термофільний – субстрат нагрівають до 54 градусів та вище.

У кожному з режимів беруть участь бактерії, що відповідають назві. Мезофільний та термофільний режими дозволяють прискорювати зброджування. Але потребують більше витрат на опалення. У домашніх умовах за невеликої кількості сировини їх виробництво може бути недоцільним.

Перевага термофільного режиму – найактивніший вихід біогазу та повне знищення хвороботворних бактерій у добривах. Недоліки – потрібно багато енергії на підігрів та добриво гірше за якістю/цінністю. При температурі 70-75 градусів метагени здатні розкладати деревину.

Мезофільний режим дає більш цінне добриво, але не дозволяє повністю його знезаразити. Його можна назвати оптимальним через те, що швидкість переробки органіки висока, а витрати на обігрів помірні.

   Важливо знати: метаноутворюючі бактерії можуть вести свою життєдіяльність тільки в анаеробному середовищі. Це означає, що в бочці взагалі не повинно бути повітря. Саме тому така важлива герметичність сполук. Не можна допускати потрапляння кисню до ємності.

Вихід біогазу залежить від того, які поживні речовини і в якій кількості є у складі сировини. Для роботи анаеробних бактерій, крім вуглецю та азоту, потрібен цілий перелік мікроелементів. Весь необхідний набір є в гною.

Опис найпростішого домашнього реактора дозволяє сформувати уявлення про біореактори в цілому та принципи їх роботи. Якщо потрібно, пристрій можна масштабувати або модифікувати, якщо він буде виконуватися з інших матеріалів.

Запуск біореактора

Для того, щоб реактор почав свою роботу, потрібно заповнити його органічним субстратом не менше ніж на дві третини. І заселити його метаногенами – бактеріями, які переробляють органіку на метан в умовах відсутності кисню. Вони є у заболочених місцях та кишечнику ссавців. Ці мікроорганізми живуть у температурному діапазоні – від 0 до 70 градусів. Для їхньої ефективної роботи субстрат має бути хоча б на 50% складатися з води.

Метаногени можна взяти з коров'ячого гною. Їх перемішують із субстратом і герметично закривають реактор. На тонну субстрату потрібно 50-60 л нового гною. Газ починає йти приблизно за тиждень (+/-). Якщо температура недостатньо висока, швидкість переробки може бути нижче, відповідно, біометан піде пізніше. Підігрів до 30 градусів прискорює процеси переробки.

До появи метану із реактора активно виходить вуглекислий газ.

Завантаження та вивантаження субстрату

Поживний субстрат знаходиться у рідкій формі. Він складається із подрібнених частин органіки, перемішаних із водою. Води в субстраті мають бути 50-80%. Нова порція становить 5-7% загального обсягу субстрату в бочці.

Гній потрібно довести водою до кашоподібного стану і можна відразу завантажувати в реактор. З пташиним послідом робити так не можна, тому що в ньому багато азоту. Спочатку необхідно залити його водою та потримати у відкритому вигляді три дні. Це знизить його кислотність шляхом гідролізу та дозволить використовувати для харчування бактерій. Без такої процедури вони можуть загинути. Кислотно-лужний баланс субстрату повинен бути в межах pH = 6.5-8.5. Оптимальна цифра становить pH = 7. Для доведення субстрату до таких параметрів можна додавати вапняне молочко (вапно пушонка, розведена водою).

Харчові відходи та рослинні залишки потрібно подрібнювати та розбавляти водою до стану кашки. Допустимо використовувати для цього будь-яку органіку. М'ясокісні залишки теж підходять для отримання біогазу, найбільше метану дають жирні - більше 1000 кубометрів з тонни. Варто використовувати для цього рослинні жири. Наприклад, грилі, що залишилися після приготування картоплі фрі або курки. Такі залишки напевно можна безкоштовно забирати в точках громадського харчування. Будь-які органічні відходи можна змішувати між собою в будь-яких пропорціях і додавати до реактора.

Слушною культурою є ейхорнія – водний гіацинт, який легко вирощувати на своїй ділянці. У воду, де він росте, можна додавати перероблений субстрат з бочки, цим проводячи циклічний процес: рослини пускати на корм бактеріям у реакторі, а продукт їх життєдіяльності – на корм рослинам. Виходить замкнутий ефективний цикл.

Відпрацьована суміш є рідиною коричневого кольору. Вона виходить самопливом при додаванні субстрату, причому у такому ж обсязі. Біореактоа може працювати необмежену кількість часу під час періодичного завантаження/вивантаження. Після додавання нової порції органіка починає видавати газ вже за півгодини.

Якщо потрібно зробити повне вивантаження субстрату або провести якісь ремонтні роботи, можна відлити в окрему герметичну ємність невелику кількість субстрату. Достатньо 100-200 л з біореактора на 5 кубометрів. Тобто приблизно до 4%. У цій рідині є метаногени.

При наступній новій закладці реактора не потрібно заново заселяти субстрат новими бактеріями, достатньо використовувати наявні як закваску. Вони дозволяють заощадити ресурси та прискорити процес переробки.

Питання та відповіді

Розглянемо поширені питання, що виникають у людей, які цікавляться темою самостійного отримання біогазу:

• Скільки метану в середньому дає описаний реактор?

Бочка, що містить близько 230 л субстрату, дає в середньому 200-300 л газу на добу. У зимовий період може більше, коли у відсотковому співвідношенні додається більше жиру (з харчових відходів). Влітку основна частина – це подрібнені рослини.

• Як часто потрібно додавати субстрат?

У середньому за день-два. Небажано розтягувати проміжок більш як на два дні. Бактерії швидко з'їдають органіку і потребують нової їжі. Якщо вчасно не доливати живильний субстрат, впаде вихід газу.

• Чи є у газу запах?

Незважаючи на те, що метан не має свого запаху, біогаз все-таки пахне і не потребує додавання одорантів. Причина в невеликому вмісті сірководню, який залишається в газовій суміші, незважаючи на очищення.

• Як метаногени реагують на тиск?

Вони не люблять підвищення тиску. Через це вони впадають в анабіоз, через що вироблення газу дуже знижується.

• Де взяти бактерії для реактора?

Найпростіший і найдоступніший варіант - коров'ячий гній. Важливо брати якомога свіжіший, тому що метаногени на повітрі гинуть.

• Код починає виділятися газ?

Якщо в реакторі потрібна температура і заселено достатньо бактерій, горючий газ піде на 4-5 день, максимум через тиждень. До цього спочатку активно виходить вуглекислота.

• Чи варто додавати до біореактора дріжджі?

Ні. Це грибки, які беруть участь у освіті метану. Вони не позитивно впливають на вихід газу, який є продуктом життєдіяльності бактерій.

• Яка установка потрібна для опалення будинку?

1 кубометр біометану виділяє до 6 кВт тепла. Витрата на опалення залежить від площі будинку та його тепловтрат. Ті у свою чергу – від ступеня та якості утеплення. Для опалення середнього житла потрібно від 7-10 кубометрів газу на добу. Така кількість може зробити установка приблизно такого ж обсягу. Це означає, що потрібно робити відповідний біореактор. Але лише в тому випадку, коли для нього буде постійна сировина протягом усього періоду опалення. Якщо знайти велику кількість органіки і завантажити її одноразово, вона установка працюватиме місяця до двох.

• Як і де використовувати відпрацьований субстрат?

Рідина, яка виходить із біогазової установки – це біогумус, цінне добриво. Він продається в магазинах для садівництва/городництва. Його можна використовувати на своєму городі, продавати, давати родичам/знайомим та удобрювати кімнатні квіти. Якщо такому відпрацюванню дати постояти у незакритому вигляді пару годин, у ній загинуть усі метаногени. Така рідина не викликає процесів газоутворення.

• З якого матеріалу краще робити біогазову установку?

Можна використовувати не лише пластикові. Але й металеві ємності. Але вони недовговічні. Органічні кислоти та сірководень поступово роз'їдають метал. Не пошкоджуються тільки бочки з нержавіючої сталі, які коштують дорожче за пластикові. Другий мінус у тому, що металеві бочки потрібно розвантажувати та завантажувати повністю. З часом такі ємності потрібно замінювати новими.

• Що таке біореактор безперервної дії?

Це установка, яка може працювати як завгодно довго з дозавантаженням суміші та вивантаженням переробленого субстрату. На відміну від реактора періодичної дії, де органіка завантажується один раз до повної переробки, безперервний не вимагає одразу великої кількості субстрату – його можна довантажувати невеликими порціями. Це зручно та вигідно.

• Чи є осад у реакторі?

Ні, відпрацьований субстрат рідкий. У ємності нічого не осідає завдяки періодичному перемішуванню.

• Чим можна подрібнювати рослинні відходи?

Якщо немає спеціального подрібнювача, можна зробити насадку на дриль і з її допомогою робити субстрат у відрі. Насадка є дві заточені лопаті, зроблені з полотна ножівки по металу. Вони прикручені до шпильки перпендикулярно один одному на відстані 5 см.

Біореактор Жана Пейна

У статті «Опалення будинку за допомогою компосту» згадувалося, що французький лісник отримував біогаз паралельно з нагріванням води в компостному кургані. У його центрі стояв резервуар з рідким органічним субстратом, до якого було додано гній.

Це чудовий варіант для біогазової установки, яку не потрібно спеціально обігрівати. У кургані трималася температура, яка запускала мезофільний та термофільний режими, завдяки чому йшло інтенсивне вироблення біометану. Таким чином, Жан Пейн ще у 70-х роках минулого століття створив чудову біосистему, яка давала газ, теплову енергію та добриво. Це найефективніше використання органіки.