В последнее время все большее внимание привлекают нетрадиционные,
с технической точки зрения, источники энергии: солнечное излучение, морские приливы и волны и многое другое.
Некоторые из них, например ветер, находили широкое применение и в прошлом, а сегодня переживают второе рождение.
Одним из "забытых" видов сырья является и биогаз,
использовавшийся еще в Древнем Китае и вновь "открытый" в наше время.
Что же такое биогаз? Этим термином обозначают газообразный продукт,
получаемый в результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха,
ферментации (перепревания) органических веществ самого разного происхождения.
В любом крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество навоза,
ботвы растений, различных отходов. Обычно после разложения их используют как органическое удобрение.
Однако мало кто знает, какое количество биогаза и тепла выделяется при ферментации.
А ведь эта энергия тоже может сослужить хорошую службу сельским жителям.
Биогаз - смесь газов. Его основные компоненты: метан (CH4) - 55-70% и
углекислый газ (СО2) - 28-43%, а также в очень малых количествах другие газы,
например - сероводород (H2S).
В среднем 1 кг органического вещества, биологически разложимого на 70%,
производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.
Факторы, влияющие на производство биогаза.
Поскольку разложение органических отходов
происходит за счет деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние
на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной
степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья.
Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом.
Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды позволяет освоить
строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до -20?С.
Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий,
содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90-94%).
Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий: например,
мыла, стиральных порошков, антибиотиков.
Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы,
навоз, сточные воды и т. п. В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет
тенденцию к разделению на три фракции. Верхняя - корка, образованная из крупных частиц,
увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать
достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментатора скапливается жидкость,
а нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок.
Бактерии наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо
периодически перемешивать - хотя бы один раз в сутки, а желательно - до шести раз.
Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений,
гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса),
под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью
различных методов самоперемешивания.
Установки для получения биогаза.
В Румынии генераторы биогаза получили широкое распространение.
Одна из первых индивидуальных установок (рис.1А) была введена в эксплуатацию еще в декабре 1982 года.
С тех пор она успешно обеспечивает газом три соседствующие семьи, имеющие каждая
по обычной газовой плите с тремя конфорками и духовкой.
Ферментатор находится в яме диаметром около 4 м и глубиной 2 м (объем примерно 21 м3),
выложенной изнутри кровельным железом, сваренным дважды: сначала электрической сваркой,
а затем, для надежности, газовой. Для антикоррозионной защиты внутренняя поверхность резервуара покрыта смолой.
Снаружи верхней кромки ферментатора сделана кольцевая канавка из бетона глубиной примерно 1 м,
выполняющая функцию гидрозатвора; в этой канавке, заполненной водой,
скользит вертикальная часть колокола, закрывающего резервуар.
Колокол высотой около 2,5 м - из листовой двухмиллиметровой стали. В верхней его части и собирается газ.
Автор этого проекта выбрал вариант собирания газа в отличив от других установок с помощью трубы,
находящейся внутри ферментатора и имеющей три подземных ответвления - к трем хозяйствам.
Кроме того, вода в канавке гидрозатвора проточная, что предотвращает обледенение в зимнее время.
Ферментатор загружается примерно 12 м3 свежего навоза, поверх которого
выливается коровья моча (без добавления воды. Генератор начинает работать через 7 дней после наполнения.
Похожую компоновку имеет еще одна установка (рис. 1Б). Ее ферментатор сделан в яме,
имеющей квадратное поперечное сечение размерами 2х2 и глубиной примерно 2,5 м.
Яма облицована железобетонными плитами толщиной 10-12 см, оштукатурена цементом и покрыта
для герметичности смолой. Канавка гидрозатвора глубиной около 50 см также бетонная,
колокол сварен из кровельного железа и может на четырех "ушках" свободно
скользить по четырем вертикальным направляющим, установленным на бетонном резервуаре.
Высота колокола примерно 3 м, из которых 0,5 м погружено в канавку.
При первом наполнении в ферментатор было загружено 8 м3 свежего коровьего навоза,
а сверху запито примерно 400 л коровьей мочи. Через 7- 8 дней установка уже полностью
обеспечивала владельцев газом.
Аналогичную конструкцию имеет и генератор биогаза, рассчитанный на прием 6 м3
смешанного навоза (от коров, овец и свиней). Этого оказалось достаточно,
чтобы обеспечить нормальную работу газовой плиты с тремя конфорками и духовкой.
Еще одна установка отличается любе пытной конструктивной деталью: рядом с ферментатором
уложены присоединенные к нему с помощью Т-образного шланга три большие тракторные камеры,
соединенные и между собой (риг. 2). В ночное время, когда биогаз не используется и накапливается под колоколом,
возникает опасность, что последний из-за избыточного давления опрокинется.
Резиновый резервуар служит дополнительной емкостью. Ферментатора размером 2х2x1,5 м
вполне достаточно для работы двух горелок, а при увеличении полезного объема установки до 1 м3
можно получить количество биогаза, достаточное и для обогрева жилища.
Особенность этого варианта установки - устройство колокола 138 см и высотой 150 см
из прорезиненного полотна, применяемого для изготовления надувных лoдок.
Ферментатор представляет собой металлический резервуар 140х380 см и имеет объем 4,7 м3.
Колокол вводится в находящийся в ферментаторе навоз на глубину не менее 30 см для
обеспечения гидравлического заслона выходу биогаза в атмосферу.
В верхней части разбухающего резервуара предусмотрен кран, соединенный со шлангом;
по нему газ поступает к газовой плите с тремя конфорками и колонке для нагрева воды.
Чтобы обеспечить оптимальные условия для работы ферментатора, навоз смешивается с горячей водой.
Наилучшие результаты установка показала при влажности сырья 90% и температуре 30-35°.
Для обогрева ферментатора используется и эффект теплицы. Над емкостью сооружается металлический каркас,
который покрывают полиэтиленовой пленкой: при неблагоприятных погодных условиях
она сохраняет тепло и позволяет заметно ускорить процесс разложения сырья.
В Румынии генераторы биогаза используются и в государственных или кооперативных хозяйствах.
Вот один из них. Он имеет два ферментатора емкостью по 203 м3,
закрытых каркасом с полиэтиленовой пленкой (рис. 3). Зимой навоз обогревается горячей водой.
Производительность установки составляет 300-480 м3 газа в день.
Такого количества вполне хватает для обеспечения всех потребностей местного агропромышленного комплекса.
Практические советы.
Как уже отмечалось, решающую роль. в развитии процесса ферментации
играет температура: нагрев сырья с 15? до 20° может вдвое увеличить
производство энергоносителя. Поэтому часто генераторов имеет
специальную систему подогрева сырья, однако большинство установок не
оборудовано ею; они используют лишь тепло, выделяемое в процессе самого
разложения органических веществ. Одним из важнейших условий нормальной
работы ферментатора является наличие надежной ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ. Кроме
того, необходимо свести к минимуму потери тепла при очистке и
наполнении бункера ферментатора.
Необходимо помнить также о необходимости обеспечения биохимического равновесия,
Иногда темпы производства бактериями кислот выше, чем темпы их потребления бактериями второй группы,
В этом случае кислотность массы растет, а выработка биогаза снижается.
Положение может быть исправлено либо уменьшением ежедневной порции сырья,
либо увеличением его растворимости (по возможности, горячей водой), либо,
наконец, добавкой нейтрализующего вещества - например известкового молока, стиральной или питьевой соды.
Производство биогаза гложет уменьшиться за счет нарушения соотношения между углеродом и азотом.
В этом случае в ферментатор вводят вещества, содержащие азот, - мочу или в небольшом количестве соли аммония,
используемые обычно в качестве химических удобрений (50 - 100 г на 1 м3 сырья).
Следует помнить, что высокая влажность и наличие сероводорода (содержание которого в биогазе может достигать 0,5%)
стимулируют повышенную коррозию металлических частей установки.
Поэтому состояние всех остальных элементов ферментатора следует регулярно
контролировать и в местах повреждений тщательно защищать: лучше всего свинцовым суриком - в один или два слоя,
а затем еще двумя слоями любой масляной краски.
В качестве трубопровода для транспортировки биогаза от выпускного патрубка в верхней части
колокола установки до потребителя могут использоваться как трубы (металлические или пластмассовые),
так и резиновые шланги. Их желательно вести в глубокой траншее,
чтобы исключить разрывы из-за замерзания зимой конденсировавшейся воды.
Если же транспортировка газа с помощью шланга осуществляется по воздуху,
то для отвода конденсата необходимо специальное устройство.
Самая простая схема такого приспособления представляет собой U-образную трубку,
присоединенную к шлангу в самой нижней его точке (рис. 4).
Длина свободной ветви трубки (х) должна быть больше, чем выраженное в миллиметрах
водяного столба давление биогаза. По мере того как в трубку стекает конденсат из трубопровода,
вода выливается через ее свободный конец без утечки газа.
В верхней части колокола целесообразно также предусмотреть патрубок для установки манометра,
чтобы по величине давления судить о количестве накопленного биогаза.
Опыт эксплуатации установок показал, что использование в качестве сырья смеси разных
органических веществ дает больше биогаза, чем при загрузка ферментатора одним из компонентов.
Влажность сырья рекомендуется немного уменьшать зимой (до 88-90%) и повышать летом (92-94%).
Вода, которую используют для разбавления, должна быть теплой (желательно 35-40°).
Сырье подается порциями, по крайней мере один раз в сутки.
После первой загрузки ферментатора нередко сначала вырабатывается биогаз,
который содержит более 60% углекислого газа и поэтому не горит.
Этот газ удаляют в атмосферу, и через 1 -3 дня установка начнет функционировать нормально.
