Jak uzyskać biogaz z obornika: przegląd podstawowych zasad i konstrukcji instalacji do produkcji

Gospodarstwa rolne co roku mierzą się z problemem zagospodarowania obornika. Na marne idą niemałe fundusze potrzebne do zorganizowania jego wywozu i utylizacji. Istnieje jednak metoda, która pozwala nie tylko zaoszczędzić pieniądze, ale także sprawić, by ten naturalny produkt pracował na naszą korzyść.

Zapobiegliwi gospodarze od dawna stosują w praktyce ekotechnologię pozwalającą uzyskać biogaz z obornika i wykorzystywać go jako paliwo.

Dlatego w naszym materiale omówimy technologię pozyskiwania biogazu, a także podpowiemy, jak zbudować instalację bioenergetyczną.

Zalety stosowania biotechnologii

Technologia pozyskiwania biopaliwa z różnych naturalnych źródeł nie jest nowa. Badania w tej dziedzinie rozpoczęły się już pod koniec XVIII wieku i pomyślnie rozwijały się w XIX stuleciu. W Związku Radzieckim pierwsza instalacja bioenergetyczna została zbudowana w latach czterdziestych ubiegłego wieku.

Biotechnologie są od dawna stosowane w wielu krajach, lecz właśnie dziś nabierają szczególnego znaczenia. Wskutek pogorszenia sytuacji ekologicznej na planecie i wysokich kosztów nośników energii, wielu kieruje wzrok ku alternatywnym źródłom energii i ciepła.

Technologia przetwarzania obornika na biogaz umożliwia zmniejszenie ilości szkodliwych emisji metanu do atmosfery i pozyskanie dodatkowego źródła energii cieplnej.

Niewątpliwie obornik jest bardzo cennym nawozem, a jeśli w gospodarstwie znajdują się dwie krowy, to z jego wykorzystaniem nie ma problemów. Inaczej rzecz się ma, gdy chodzi o gospodarstwa rolne z dużą i średnią obsadą, gdzie rocznie powstają tony cuchnącego i gnijącego materiału biologicznego.

Aby obornik stał się nawozem wysokiej jakości, potrzebne są powierzchnie zapewniające określony reżim temperaturowy, a to generuje dodatkowe koszty. Dlatego wielu rolników składowuje go, gdzie popadnie, a następnie wywozi na pola.

W zależności od ilości surowca produkowanego na dobę należy dobierać wymiary instalacji i stopień jej automatyzacji.

W przypadku nieprzestrzegania warunków przechowywania z obornika ulatnia się do 40% azotu i główna część fosforu, co znacznie pogarsza jego parametry jakościowe. Ponadto do atmosfery uwalnia się metan, który ma negatywny wpływ na sytuację ekologiczną planety.

Nowoczesne biotechnologie umożliwiają nie tylko neutralizację szkodliwego oddziaływania metanu na środowisko, lecz także sprawienie, by służył on dobru człowieka, przynosząc przy tym niemałą korzyść ekonomiczną. W wyniku przetwarzania obornika powstaje biogaz, z którego można następnie uzyskać tysiące kWh energii, a odpady produkcyjne stanowią bardzo cenny nawóz beztlenowy.

Mechanizm powstawania gazu z surowców organicznych

Biogaz to substancja lotna bez koloru i zapachu, zawierająca do 70% metanu. Pod względem jakości zbliża się do tradycyjnego paliwa – gazu ziemnego. Charakteryzuje się dobrą wartością opałową; 1 m³ biogazu wydziela tyle ciepła, ile uzyskuje się ze spalenia półtora kilograma węgla.

Powstawanie biogazu zawdzięczamy bakteriom beztlenowym, które aktywnie pracują nad rozkładem surowca organicznego, którym jest nawóz zwierząt gospodarskich, ptasie odchody, odpady wszelkich roślin.

W samodzielnej produkcji biogazu można wykorzystać ptasie odchody oraz produkty przemiany materii małego i dużego inwentarza domowego. Surowiec może być stosowany w czystej postaci lub w formie mieszanki z dodatkiem trawy, liści, starego papieru.

Aby aktywować proces, należy stworzyć korzystne warunki do życia bakterii. Powinny być one podobne do tych, w jakich mikroorganizmy rozwijają się w naturalnym zbiorniku – w żołądku zwierząt, gdzie jest ciepło i brak tlenu.

Właśnie te dwa podstawowe warunki przyczyniają się do cudownej przemiany gnijącej masy nawozowej w ekologicznie czyste paliwo i cenne nawozy.

Do pozyskiwania biogazu potrzebny jest szczelny reaktor bez dostępu powietrza, w którym będzie zachodził proces fermentacji nawozu i rozkładu na składniki:

• metan (do 70%);
• dwutlenek węgla (około 30%);
• inne substancje gazowe (1-2%).

Powstałe gazy unoszą się do góry zbiornika, skąd są następnie wypompowywane, a na dno opada produkt resztkowy – wysokiej jakości nawóz organiczny, który w wyniku obróbki zachował wszystkie cenne substancje zawarte w nawozie – azot i fosfor, oraz stracił znaczną część patogennych mikroorganizmów.

Reaktor do pozyskiwania biogazu musi mieć całkowicie szczelną konstrukcję, w której nie ma tlenu, w przeciwnym razie proces rozkładu nawozu będzie przebiegał niezwykle wolno.

Drugim ważnym warunkiem efektywnego rozkładu nawozu i powstawania biogazu jest przestrzeganie reżimu temperaturowego. Bakterie biorące udział w procesie uaktywniają się w temperaturze od +30 stopni.

Ponadto w nawozie występują dwa rodzaje bakterii:

• mezofilne. Ich aktywność życiowa zachodzi w temperaturze +30 – +40 stopni;
• termofilne. Do ich rozmnażania konieczne jest utrzymanie reżimu temperaturowego +50 (+60) stopni.

Czas przetwarzania surowca w instalacjach pierwszego typu zależy od składu mieszaniny i wynosi od 12 do 30 dni. Przy tym 1 litr użytecznej powierzchni reaktora daje 2 litry biopaliwa. Przy użyciu instalacji drugiego typu czas wytwarzania produktu końcowego skraca się do trzech dni, a ilość biogazu wzrasta do 4,5 litra.

Efektywność instalacji termofilnych jest widoczna gołym okiem, jednakże koszt ich utrzymania jest bardzo wysoki, dlatego przed wyborem tego czy innego sposobu produkcji biogazu należy wszystko bardzo dokładnie przeliczyć.

Pomimo że efektywność instalacji termofilnych jest dziesięciokrotnie wyższa, są one stosowane znacznie rzadziej, ponieważ utrzymanie wysokich temperatur w reaktorze wiąże się z dużymi kosztami.

Obsługa i utrzymanie instalacji typu mezofilnego są tańsze, dlatego większość gospodarstw rolnych do produkcji biogazu używa właśnie ich.

Biogaz pod względem potencjału energetycznego niewiele ustępuje konwencjonalnemu paliwu gazowemu. Jednak w jego składzie znajdują się opary kwasu siarkowego, których obecność należy uwzględnić przy wyborze materiałów do budowy instalacji.

Obliczenia efektywności wykorzystania biogazu

Ocenić wszystkie zalety stosowania alternatywnego biopaliwa pomogą proste obliczenia. Jedna krowa ważąca 500 kg produkuje dziennie około 35-40 kg obornika. Ilość ta wystarczy do uzyskania około 1,5 m³ biogazu, z którego z kolei można wytworzyć 3 kWh energii elektrycznej.

Korzystając z danych z tabeli, łatwo obliczyć, ile m³ biogazu można uzyskać na wyjściu zgodnie z posiadanym w gospodarstwie rolnym inwentarzem żywym.

Do produkcji biopaliwa można używać zarówno jednego rodzaju surowca organicznego, jak i mieszanin z kilku składników o wilgotności 85-90%. Ważne, aby nie zawierały obcych domieszek chemicznych, które negatywnie wpływają na proces przetwarzania.

Najprostszy przepis na mieszankę wymyślił w 2000 roku pewien rosyjski rolnik z obwodu lipieckiego, który zbudował własnymi rękami najprostszą instalację do produkcji biogazu. Mieszał on 1500 kg obornika krowiego z 3500 kg odpadów różnych roślin, dodawał wodę (około 65% wagi wszystkich składników) i podgrzewał mieszaninę do 35 stopni.

Za dwa tygodnie darmowe paliwo jest gotowe. To małe urządzenie produkowało 40 m³ gazu dziennie, co w zupełności wystarczało do ogrzewania domu i budynków gospodarczych przez pół roku.

Warianty instalacji do pozyskiwania biopaliwa

Po przeprowadzeniu obliczeń należy zdecydować, jak wykonać urządzenie, aby uzyskać biogaz zgodny z potrzebami swojego gospodarstwa. Jeśli pogłowie bydła jest niewielkie, wystarczy najprostsza wersja, którą można łatwo wykonać własnoręcznie z dostępnych materiałów.

Dużym gospodarstwom rolnym, które mają stałe źródło dużej ilości surowca, opłaca się zbudować przemysłowy zautomatyzowany system biogazowy. W takim przypadku trudno będzie obejść się bez specjalistów, którzy opracują projekt i zamontują urządzenie na profesjonalnym poziomie.

Schemat w sposób przejrzysty pokazuje, jak działa przemysłowy zautomatyzowany kompleks do produkcji biogazu. Budowę na taką skalę można zorganizować dla kilku pobliskich gospodarstw rolnych.

Obecnie istnieją dziesiątki firm, które mogą zaoferować wiele opcji: od gotowych rozwiązań po opracowanie indywidualnego projektu. Aby obniżyć koszty budowy, można współpracować z sąsiednimi gospodarstwami (jeśli takie są w pobliżu) i zbudować jedno urządzenie do produkcji biogazu dla wszystkich.

Należy pamiętać, że do budowy nawet małego urządzenia konieczne jest przygotowanie odpowiednich dokumentów, sporządzenie schematu technologicznego, planu rozmieszczenia urządzeń i wentylacji (jeśli urządzenie jest instalowane w pomieszczeniu), a także przejście procedur uzgodnień z sanepidem, strażą pożarną i inspekcją gazową.

Minifabrykę do produkcji gazu na potrzeby małego prywatnego gospodarstwa można wykonać samodzielnie, wzorując się na konstrukcji i specyfice urządzeń produkowanych na skalę przemysłową.

Konstrukcje urządzeń do przetwarzania obornika i materii organicznej na biogaz nie są skomplikowane. Oryginał wyprodukowany przez przemysł może posłużyć jako szablon do budowy własnej minifabryki.

Samodzielnym majsterkowiczom, którzy zdecydowali się zająć budową własnego urządzenia, trzeba zaopatrzyć się w zbiornik na wodę, wodociągowe lub kanalizacyjne rury plastikowe, kolanka, uszczelki oraz butlę do przechowywania gazu uzyskanego w urządzeniu.

Cechy systemu biogazowego

Pełnowartościowa instalacja biogazowa to złożony system składający się z:

1. Bioreaktora, w którym zachodzi proces rozkładu obornika;
2. Zautomatyzowanego systemu podawania odpadów organicznych;
3. Urządzenia do mieszania biomasy;
4. Wyposażenia do utrzymania optymalnej temperatury;
5. Gazgolder – zbiornik do przechowywania gazu;
6. Odbiornika zużytych odpadów stałych.

Wszystkie wymienione elementy są instalowane w instalacjach przemysłowych pracujących w trybie automatycznym. Reaktory domowe z reguły mają prostszą konstrukcję.

Na schemacie przedstawiono główne składniki zautomatyzowanego systemu biogazowego. Objętość reaktora zależy od dziennego dopływu surowca organicznego. Dla prawidłowego funkcjonowania instalacji reaktor powinien być wypełniony w dwóch trzecich objętości.

Zasada działania instalacji

Podstawowym elementem systemu jest bioreaktor. Istnieje kilka wariantów jego wykonania, najważniejsze jest zapewnienie szczelności konstrukcji i wyeliminowanie dostępu tlenu. Może być wykonany jako metalowy zbiornik o różnych kształtach (najczęściej cylindryczny), umieszczony na powierzchni. Nierzadko do tych celów używa się 50-metrowych pustych cystern paliwowych.

Można nabyć gotowe zbiorniki o konstrukcji składanej. Ich zaletą jest możliwość szybkiego demontażu i, w razie potrzeby, transportu w inne miejsce. Przemysłowe instalacje powierzchniowe warto stosować w dużych gospodarstwach, gdzie istnieje stały dopływ dużej ilości organicznego surowca.

Dla małych gospodarstw bardziej odpowiedni jest wariant podziemnego umieszczenia zbiornika. Podziemny bunkier buduje się z cegły lub betonu. Można zakopać w ziemi gotowe pojemniki, na przykład beczki z metalu, stali nierdzewnej lub PVC. Możliwe jest także ich powierzchniowe umieszczenie na zewnątrz lub w specjalnie przeznaczonym pomieszczeniu z dobrą wentylacją.

Do wykonania instalacji do produkcji biogazu można zakupić gotowe zbiorniki z PVC i zamontować je w pomieszczeniu wyposażonym w system wentylacji.

Niezależnie od tego, gdzie i jak umieszczony jest reaktor, jest on wyposażony w zasobnik do załadunku obornika. Przed załadowaniem surowiec musi przejść wstępne przygotowanie: jest rozdrabniany na frakcje nie większe niż 0,7 mm i rozcieńczany wodą. Idealnie wilgotność substratu powinna wynosić około 90%.

Zautomatyzowane instalacje przemysłowe są wyposażone w system podawania surowca, obejmujący odbiornik, w którym mieszanina jest doprowadzona do wymaganej wilgotności, rurociąg do podawania wody oraz pompę do przetłaczania masy do bioreaktora.

W domowych instalacjach do przygotowania substratu używa się oddzielnych zbiorników, w których odpady są rozdrabniane i mieszane z wodą. Następnie masa jest ładowana do komory odbiorczej. W reaktorach umieszczonych pod ziemią zasobnik do przyjmowania substratu jest wyprowadzony na zewnątrz, a przygotowana mieszanina grawitacyjnie przepływa rurociągiem do komory fermentacyjnej.

Jeśli reaktor znajduje się na ziemi lub w pomieszczeniu, rura wlotowa z urządzeniem odbiorczym może znajdować się w dolnej bocznej części zbiornika. Możliwe jest również wyprowadzenie rury do górnej części i założenie na jej szyjkę lejka. W takim przypadku biomasę trzeba będzie podawać za pomocą pompy.

W bioreaktorze należy również przewidzieć otwór wylotowy, który wykonuje się praktycznie na dnie zbiornika po przeciwnej stronie od zasobnika wlotowego. W przypadku umieszczenia podziemnego rura wylotowa jest instalowana ukośnie do góry i prowadzi do odbiornika odpadów, który ma kształt prostokątnej skrzyni. Jego górna krawędź powinna znajdować się poniżej poziomu otworu wlotowego.

Rury wlotowa i wylotowa są umieszczone ukośnie do góry po różnych stronach zbiornika, przy czym zbiornik wyrównawczy, do którego trafiają odpady, powinien znajdować się poniżej zasobnika odbiorczego.

Proces przebiega w następujący sposób: zbiornik wejściowy przyjmuje nową partię substratu, która spływa do reaktora, jednocześnie taka sama ilość zużytej masy rurą podnoszona jest do odbiornika odpadów, skąd następnie jest wybierana i wykorzystywana jako wysokiej jakości bio-nawoz.

Przechowywanie biogazu odbywa się w zbiorniku gazowym. Najczęściej znajduje się on bezpośrednio na dachu reaktora i ma kształt kopuły lub stożka. Wykonuje się go z blachy dachowej, a następnie, aby zapobiec procesom korozji, maluje się kilkoma warstwami farby olejnej.

W instalacjach przemysłowych, przeznaczonych do uzyskiwania dużej ilości gazu, zbiornik gazowy często wykonuje się jako oddzielny zbiornik połączony z reaktorem rurociągiem.

Gaz otrzymany w wyniku fermentacji nie nadaje się do użytku, ponieważ zawiera dużą ilość pary wodnej i w takiej postaci nie będzie się palić. Aby oczyścić go z frakcji wody, gaz przepuszcza się przez zamknięcie wodne. W tym celu ze zbiornika gazowego wyprowadza się rurę, którą biogaz trafia do zbiornika z wodą, a stamtąd plastikową lub metalową rurą jest dostarczany do odbiorców.

Schemat instalacji umieszczonej pod ziemią. Otwór wlotowy i wylotowy powinny znajdować się po przeciwnych stronach zbiornika. Nad reaktorem znajduje się zamknięcie wodne, przez które przepuszcza się uzyskany gaz w celu osuszenia.

W niektórych przypadkach do przechowywania gazu używa się specjalnych worków zbiornikowych wykonanych z polichlorku winylu. Worki umieszcza się obok instalacji i stopniowo wypełnia gazem. W miarę napełniania elastyczny materiał nadyma się, a objętość worków zwiększa się, umożliwiając w razie potrzeby czasowe przechowanie większej ilości produktu końcowego.

Warunki efektywnej pracy bioreaktora

Do efektywnej pracy instalacji i intensywnego wydzielania biogazu konieczne jest równomierne fermentowanie organicznego substratu. Mieszanina powinna być w ciągłym ruchu. W przeciwnym razie tworzy się na niej skorupa, proces rozkładu zwalnia, w efekcie gazu powstaje mniej niż początkowo zakładano.

Aby zapewnić aktywne mieszanie biomasy, w górnej lub bocznej części typowego reaktora instaluje się mieszadła zanurzeniowe lub pochylone, wyposażone w napęd elektryczny. W instalacjach o charakterze domowym mieszanie odbywa się mechanicznie za pomocą urządzenia przypominającego domowy mikser. Można nim sterować ręcznie lub wyposażyć w napęd elektryczny.

Przy pionowym ustawieniu reaktora rączka mieszadła wyprowadzona jest do górnej części instalacji. Jeśli zbiornik jest zamontowany poziomo, ślimak również znajduje się w płaszczyźnie poziomej, a rączka znajduje się z boku bioreaktora.

Jednym z najważniejszych warunków uzyskania biogazu jest utrzymanie w reaktorze odpowiedniego reżimu temperaturowego. Ogrzewanie można realizować na kilka sposobów. W instalacjach stacjonarnych stosuje się zautomatyzowane systemy grzewcze, które włączają się, gdy temperatura spadnie poniżej zadanego poziomu, i wyłączają się po osiągnięciu wymaganego reżimu temperaturowego.

Do ogrzewania można użyć kotłów gazowych, prowadzić bezpośrednie ogrzewanie elektrycznymi urządzeniami grzewczymi lub wbudować w podstawę zbiornika element grzewczy.

Aby zmniejszyć straty ciepła, zaleca się wokół reaktora zbudować niewielką ramę z warstwą wełny szklanej lub przykryć instalację izolacją termiczną. Dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi charakteryzuje się styropian i jego inne odmiany.

Aby urządzić system ogrzewania biomasy, można poprowadzić rurociąg z domowego ogrzewania, które jest zasilane z reaktora

Określenie wymaganej objętości

Objętość reaktora określa się na podstawie dziennej ilości obornika wytwarzanego w gospodarstwie. Należy również uwzględnić rodzaj surowca, reżim temperaturowy i czas fermentacji. Aby instalacja działała prawidłowo, zbiornik jest wypełniany w 85-90% objętości, co najmniej 10% musi pozostać wolne na ujście gazu.

Proces rozkładu materii organicznej w instalacji mezofilowej przy średniej temperaturze 35 stopni trwa od 12 dni, po czym sfermentowane resztki są usuwane, a reaktor wypełniany nową porcją substratu. Ponieważ przed wprowadzeniem do reaktora odpady rozcieńcza się wodą do 90%, ilość cieczy również należy uwzględnić przy określaniu dziennego obciążenia.

Na podstawie podanych wskaźników objętość reaktora będzie równa dziennej ilości przygotowanego substratu (obornika z wodą) pomnożonej przez 12 (czas potrzebny na rozkład biomasy) i powiększonej o 10% (wolna objętość zbiornika).

Budowa podziemnej instalacji

Teraz porozmawiamy o najprostszej instalacji, która pozwala uzyskać biogaz w warunkach domowych przy najmniejszych kosztach. Rozważymy budowę systemu podziemnego. Aby go wykonać, należy wykopać dół, jego podstawę i ściany wylewa się zbrojonym betonem keramzytowym.

Po przeciwnych stronach komory wyprowadza się otwór wlotowy i wylotowy, w których montuje się nachylone rury do podawania substratu i wypompowywania zużytej masy.

Rura wylotowa o średnicy około 7 cm powinna znajdować się praktycznie na samym dnie zbiornika, jej drugi koniec montuje się w wyrównawczym zbiorniku prostokątnym, do którego będą wypompowywane odpady. Rurociąg do podawania substratu znajduje się w odległości około 50 cm od dna i ma średnicę 25-35 cm. Górna część rury wchodzi do komory przyjmowania surowca.

Reaktor musi być całkowicie szczelny. Aby wyeliminować możliwość dostania się powietrza, zbiornik należy pokryć warstwą bitumicznej izolacji przeciwwilgociowej.

Górna część bunkra – zbiornik gazu o kształcie kopuły lub stożka. Wykonuje się go z blach lub blachy dachowej. Można również zakończyć konstrukcję murem ceglanym, który następnie otynkuje się na siatce stalowej i tynkuje. Na zbiorniku gazu należy zamontować szczelny właz, wyprowadzić rurę gazową przechodzącą przez zamknięcie hydrauliczne oraz zainstalować zawór do odpowietrzania gazu.

Do mieszania substratu można wyposażyć instalację w system drenażu działający na zasadzie barbotażu. W tym celu należy pionowo zamocować wewnątrz konstrukcji rury plastikowe tak, aby ich górna krawędź znajdowała się powyżej warstwy substratu. Należy w nich wywiercić wiele otworów. Gaz pod ciśnieniem będzie opadał w dół, a unosząc się do góry, pęcherzyki gazu będą mieszać znajdującą się w zbiorniku biomasę.

Jeśli nie chcesz zajmować się budową betonowego bunkra, możesz kupić gotowy zbiornik z PVC. Aby zachować ciepło, należy go obłożyć wokół warstwą izolacji termicznej – styropianem. Dno wykopu wylewa się zbrojonym betonem o grubości 10 cm. Zbiorniki z polichlorku winylu mogą być stosowane, jeśli objętość reaktora nie przekracza 3 m3.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Jak zrobić najprostszą instalację ze zwykłej beczki, dowiesz się oglądając film:

Jak przebiega budowa podziemnego reaktora, możesz obejrzeć w materiale wideo:

Jak przebiega załadunek obornika do podziemnej instalacji, pokazano w następnym filmie:

Instalacja do produkcji biogazu z obornika pozwoli znacznie zaoszczędzić na kosztach ogrzewania i energii elektrycznej, a także wykorzystać organiczny materiał, który w nadmiarze znajduje się w każdym gospodarstwie rolnym. Przed rozpoczęciem budowy należy wszystko dokładnie przeliczyć i przygotować.

Najprostszy reaktor można wykonać w kilka dni własnymi rękami, używając ogólnodostępnych materiałów. Jeśli gospodarstwo jest duże, najlepiej kupić gotową instalację lub skontaktować się ze specjalistami.

Jeśli po zapoznaniu się z przedstawionymi informacjami masz pytania lub masz sugestie, którymi chcesz się podzielić z odwiedzającymi stronę, prosimy o pozostawienie komentarzy w bloku poniżej.