Метантенк своими руками

Обновлено: 06.07.2024

Метантенки – это сооружения для анаэробной стабилизации осадков сточных вод, применяются на городских, промышленных и локальных очистных сооружениях. Чаще всего в метантенках сбраживается осадок первичных отстойников или активный ил, или их смесь. Положительным эффектом строительства таких сооружений является получение метаносодержащего газа, который можно использовать для отопления помещений очистных сооружений или в качестве топлива для газобаллонных машин. На крупных станциях очистки сточной воды устраивают газгольдеры – сооружения для регулирования давления газовой сети и для накопления метансодержащего газа.

Метановое сбраживание – это процесс распада органических соединений до простых веществ, в результате которого выделяется газ. Жиры и белки в основном разлагаются с высоким выделением метана, а углеводы — с выделением углекислого газа. Смесь этих газов – это биогаз. Процесс разложения происходит в результате жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов.

Сбраживание принято делить на следующие стадии:

Ферментативный гидролиз.
Кислотообразования.
Ацетогенная.
Метаногенная.

Возможно три режима работы метантенков:

психрофильный – при температуре до 200°С
мезофильный – при температуре 33°C;
термофильный – при температуре t = 53°C.

Выбор температуры определяется условиями работы метантенка: технико-экономическими, санитарно-гигиеническими, природоохранными с учетом обеспечения полного цикла сбраживания. Следует также обратить внимание на химический состав осадка и его объем.

Условия работы метантенка

Для того чтобы процесс сбраживания в метантенке происходил без проблем, в нем необходимо поддерживать постоянными следующие условия:

рН = 7,0 — 7,5;
содержание жирных летучих кислот 3 — 8 мг экв/ л;
содержание щелочей 70 — 76 мг экв /л;
содержание аммонийных солей азота 600 — 800 мг/л.

Для этого подачу и выгрузку осадка в сооружение в течение суток рекомендуется выполнять равномерно (прямоточная схема экспуатации), а также для поддержания необходимой температуры возможен обогрев острым паром. Тем не менее, в общем плане, метантенки могут работать в режимах:

в периодическом;
непрерывном;
полунепрерывном.

Эффект сбраживания в метантенках

Есть и другие факторы, влияющие на эффект сбраживания:

тяжелые металлы (кобальт, медь, никель), а также хром и сернистые соединения оказывают ингибирующие действие на процесс анаэробного сбраживания.
перемешивание загрузки метантенка производится для того чтобы: предотвратить образование мертвых зон, расслоение осадка, образование корки, отложение песка, а также с целью эффективного использования всего объема метантенка, выравнивания температуры и концентраций метаболитов (промежуточных субстратов).

Перемешивание осуществляется механическими мешалками или при помощи циркуляции осадка и рециркуляции газа (более эффективный способ, однако на практике примяенится редко).

Однако интенсивность перемешивания имеет предел: если она будет слишком высока то, некоторые группы бактерий могут потерять связь, родство с определенной частью субстрата. В свою очередь неинтенсивное перемешивание ведет к уменьшению образования биогаза.

Существуют две технологические схемы сбраживания (работы биореакторов):

Одноступенчатая (низконагружаемые метантенки);
Двухступенчатая (иногда называется многоступенчатой) – в этом случае в качестве первой ступени устанавливается метантенк, работающий в мезофильном режиме, а в качестве второй – открытый (на нем осуществляется обезвоживание и уплотнение осадка). Преимуществами такой схемы является: отсутствие расслоения осадка и отделения иловой воды.

Выделяют следующие возможные конструкции метантенков:

с куполообразным перекрытием (жестким);
с плавающим перекрытием;
открытые.

Независимо от конструкции схема метантенка будет включать в себя:

На подворье любого хозяйства можно использовать не только энергию ветра, солнца, но и биогаза.

Биогаз — газообразное топливо, продукт анаэробного микробиологического разложения органических веществ. Биогазовые технологии — это наиболее радикальный, экологически чистый, безотходный способ переработки, утилизации и обеззараживания разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения.

Условия получения и энергетическая ценность биогаза.

Тем, кто захочет построить на подворье малогабаритную биогазовую установку, необходимо детально знать из какого сырья и по какой технологии можно получить биогаз.

Биогаз получают в процессе анаэробной (без доступа воздуха) ферментации (разложения) органических веществ (биомассы) различного происхождения: птичий помет, ботва, листья, солома, стебли растений и другие органические отходы индивидуального хозяйства. Таким образом, биогаз можно производить из всех хозяйственно-бытовых отходов, которые имеют способность бродить и разлагаться в жидком или влажном состоянии без доступа кислорода. Анаэробные установки (ферментаторы) дают возможность перерабатывать любую органическую массу при протекании процесса в две фазы: разложение органической массы (гидратация) и ее газификация.

Применение органической массы, прошедшей микробиологическое разложение в биогазовых установках, повышает плодородие почв, урожайность различных культур на 10-50 %.

В приусадебном хозяйстве основным органическим сырьем для загрузки в ферментатор является навоз.

В ферментаторе, наряду с производством газа, осуществляется обеззараживание органических отходов от патогенной микрофлоры, дезодорация выделяемых неприятных запахов. Получаемый ил коричневого цвета периодически выгружается из ферментатора и используется как удобрение.

Для подогрева перерабатываемой массы используют тепло, которое выделяется при ее разложении в биоферментаторе. При понижении температуры в ферментаторе снижается интенсивность газовыделения, так как микробиологические процессы в органической массе замедляются. Поэтому надежная теплоизоляция биогазовой установки (биоферментатора) одно из наиболее важных условий ее нормальной работы.

При ферментации экскрементов от одного животного можно получить за сутки: крупного рогатого скота (живая масса 500-600 кг) — 1,5 куб.м биогаза, свиньи (живая масса 80-100 кг) — 0,2 куб.м, курицы или кроля — 0,015 куб.м.

За одни сутки ферментации из навоза крупного рогатого скота образуется 36 % биогаза, а свиного — 57 %. По количеству энергии 1 куб.м биогаза эквивалентен 1,5 кг каменного угля, 0,6 кг керосина, 2 кВт/ч электроэнергии, 3,5 кг дров, 12 кг навозных брикетов.

Широкое развитие биогазовые технологии получили в Китае, они активно внедряются в ряде стран Европы, Америки, Азии, Африки. В Западной Европе, например в Румынии, Италии, более 10 лет назад начали массово применять малогабаритные биогазовые установки с объемом перерабатываемого сырья 6-12 куб.м.

Владельцы приусадебных и фермерских хозяйств в Украине тоже начали проявлять интерес к таким установкам. На территории любой усадьбы можно оборудовать одну из наиболее простых биогазовых установок, которые, например, применяются в индивидуальных хозяйствах Румынии. Согласно приведенным на рис. 1-а, размерам оборудуют яму 1 и купол 3. Яму облицовывают железобетонными плитами толщиной 10 см, которые штукатурят цементным раствором и для герметичности покрывают смолой. Из кровельного железа сваривают колокол высотой 3 м, в верхней части которого будет скапливаться биогаз. Для защиты от коррозии колокол периодически красят двумя слоями масляной краски. Еще лучше предварительно покрыть колокол изнутри свинцовым суриком.

В верхней части колокола устанавливают патрубок 4 для отвода биогаза и манометр 5 для измерения его давления. Газоотводящий патрубок 6 можно изготовить из резинового шланга, пластмассовой или металлической трубы.

Вокруг ямы-ферментатора устраивают бетонную канавку-гидрозатвор 2, наполненную водой, в которую погружают нижний бортик колокола на 0,5 м.

Подавать газ к кухонной плите можно по металлическим, пластмассовым или резиновым трубкам. Чтобы зимой из-за замерзания конденсирующейся воды трубки не разрывало, применяют несложное устройство (рис. 1-б): U-образную трубку 2 присоединяют к трубопроводу 1 в самой нижней точке. Высота ее свободной части должна быть больше давления биогаза (в мм. вод. ст.). Конденсат 3 сливается через свободный конец трубки, при этом не будет утечки газа.

Во втором варианте установки (рис. 1-в) яму 1 диаметром 4 мм глубиной 2 м обкладывают внутри кровельным железом, листы которого плотно сваривают. Внутреннюю поверхность сварного резервуара покрывают смолой для антикоррозионной защиты. С наружной стороны верхней кромки резервуара из бетона устраивают кольцевую канавку 5 глубиной до 1 м, которую заливают водой. В нее свободно устанавливают вертикальную часть купола 2, закрывающую резервуар. Таким образом канавка с залитой в нее водой служит гидрозатвором. Биогаз собирается в верхней части купола, откуда через выпускной патрубок 3 и далее по трубопроводу 4 (или шлангу) подается к месту использования.

В круглый резервуар 1 загружается около 12 куб.м органической массы (желательно свежего навоза), которая заливается жидкой фракцией навоза (мочой) без добавления воды. Через неделю после заполнения ферментатор начинает работать. В данной установке емкость ферментатора составляет 12 куб.м, что дает возможность сооружать ее для 2-3 семей, дома которых расположены недалеко. Такую установку можно построить на подворье, если семья выращивает на подряде бычков или содержит несколько коров.

Газ, который собирается под куполом или пленкой, поступает по газопроводу к месту использования. Для избежания взрыва газа на выпускном патрубке можно установить отрегулированный на определенное давление клапан. Однако, опасность взрыва газа маловероятна, поскольку при значительном повышении давления газа под куполом последний будет приподнятый в гидравлическом затворе на критическую высоту и опрокинется, выпустив при этом газ.

Выработка биогаза может быть снижена из-за того, что на поверхности органического сырья в ферментаторе при ее брожении образуется корка. Для того, чтобы она не препятствовала выходу газа, ее разбивают, перемешивая массу в ферментаторе. Перемешивать можно не вручную, а путем присоединения снизу к куполу металлической вилки. Купол поднимается в гидравлическом затворе на определенную высоту при накоплении газа и опускается по мере его использования.

Благодаря систематическому движению купола сверху-вниз, соединенные с куполом вилки будут разрушать корку.

Высокая влажность и наличие сероводорода (до 0,5 %) способствует повышенной коррозии металлических частей биогазовых установок. Поэтому состояние всех металлических элементов ферментатора регулярно контролируют и места повреждений тщательно защищают, лучше всего свинцовым суриком в один или два слоя, а затем красят в два слоя любой масляной краской.

Рис. 1. Схемы простейших биогазовых установок:

а). с пирамидальным куполом: 1 — яма для навоза; 2 — канавка-гидрозатвор; 3 — колокол для сбора газа; 4, 5 — патрубок для отвода газа; 6 — манометр;

б). устройство для отвода конденсата: 1 — трубопровод для отвода газа; 2 — U-образная труба для конденсата; 3 — конденсат;

в). с коническим куполом: 1 — яма для навоза; 2 — купол (колокол); 3 — расширенная часть патрубка; 4 — труба для отвода газа; 5 — канавка-гидрозатвор;

г, д, е, ж — схемы вариантов простейших установок: 1 — подача органических отходов; 2 — емкость для органических отходов; 3 — место сбора газа под куполом; 4 — патрубок для отвода газа; 5 — отвод ила; 6 — манометр; 7 — купол из полиэтиленовой пленки; 8 — водяной затвор; 9 — груз; 10 — цельноклееный полиэтиленовый мешок.

Биогазовая установка с подогревом сбраживаемой массы теплом, выделяемым при разложении навоза в аэробном ферментаторе, приведена на рис. 2, включает метантанк — цилиндрическую металлическую емкость с заливной горловиной 3, сливным краном 9, механической мешалкой 5 и патрубком 6 отбора биогаза.

Ферментатор 1 можно сделать прямоугольным из деревянных материалов. Для выгрузки обработанного навоза боковые стенки выполнены съемными. Пол ферментатора — решетчатый, через технологический канал 10 воздух продувают из воздуходувки 11. Сверху ферментатор закрывают деревянными щитами 2. Чтобы уменьшить потери тепла, стенки и днище изготавливают с теплоизоляционной прослойкой 7.

Такая установка окупится уже за год только за счет утилизации отходов в личном хозяйстве.

Рис. 2. Схема биогазовой установки с подогревом:
1 — ферментатор; 2 — деревянный щит; 3 — заливная горловина; 4 — метантанк; 5 — мешалка; 6 — патрубок для отбора биогаза; 7 — теплоизоляционная прослойка; 8 — решетка; 9 — сливной кран для переработанной массы; 10 — канал для подачи воздуха; 11 — воздуходувка.

Индивидуальная биогазовая установка (ИБГУ-1) для крестьянской семьи, имеющей от 2 до 6 коров или 20-60 свиней, или 100-300 голов птицы (рис. 3). Установка ежесуточно может перерабатывать от 100 до 300 кг навоза и производит 100-300 кг экологически чистых органических удобрений и 3-12 куб.м биогаза.

Рис. 3. Схема индивидуальной биогазовой установки ИБГУ-1:
1 — заливная горловина; 2 — мешалка; 3 — патрубок для отбора газа; 4 — теплоизоляционная прослойка; 5 — патрубок с краном для выгрузки переработанной массы; 6 — термометр.

Для жителей частных домов (и не только) полезно знать, что такое метантенк, каково его назначение и принцип функционирования конструкций для очистки сточных вод. Не менее важно разобраться, где используются аппараты и как они применяются. Отдельная тема — схема и расчет обращения с тем, что поступает в метантенки.

Устройство конструкции и принцип работы

Типичная схема метантенка напоминает в плане цилиндр. Несколько реже эти конструкции имеют прямоугольную форму. Допускается их заглубление в почву, даже иногда полностью. Донная часть в значительной мере уклонена к середине. Кровельная часть аппарата представляет собой или жесткую, или плавающую конструкцию. Второй вариант менее надежен механически. Однако он более безопасен в плане роста внутреннего давления. Для изготовления стенок и днища сооружения преимущественно используют железобетон. Сверху подводится труба. По ней поступает внутрь активный ил; через ту же трубу производится и загрузка осадка.

Чтобы усилить образование метана и все остальные процессы, емкость прогревают, заботятся также о перемешивании содержимого в постоянном режиме. Для подачи тепла используют водяные либо паровые радиаторы. Что важно, весь процесс проходит в анаэробном режиме. Это позволяет разложить органические вещества на жирные кислоты. Но брожение на таком этапе не останавливается, и следующие продукты – это углекислый газ и метан (давший даже название всему виду оборудования).

После окончания бродильной обработки производится выгрузка ила; он содержит много воды, и поэтому может использоваться лишь в высушенном виде.

Отвод метана происходит через верхние трубы. Общий выход газов на 1 м3 обработанного осадка составляет 12-16 м3. На долю собственно метана приходится при этом от 8,4 до 11,2 м3. Стоит иметь в виду, что сейчас используются и другие аналогичные методы очистки стоков — обезвоживание механическим способом и химическое кондиционирование. Однако они экономически и энергетически не так выгодны. Еще одна важная тонкость — то, что метантенк служит главным образом для утилизации не самих жидких стоков, а насыщенных осадков. Если количество обращаемой жидкости не превышает 25 м3 за 24 часа, то первичное отстаивание проводят в септиках. Если нужно больше, вплоть до 10000 куб. м, применяют уже усовершенствованные двухъярусные отстойники.

По сравнению с другими установками, предназначенными для решения той же задачи, метантенки имеют следующие важные преимущества:

Где применяются?

Метантенки используются для очистки сточных вод на комплексных очистных сооружениях. Но точно так же успешно их можно применять и в автономном режиме. Второй вариант пригоден только непосредственно для очистки органических жидких отходов. Допустим, из 1000 кг навоза от КРС можно получить до 65 куб. м биогаза, а из 1000 кг зеленой массы вырабатывают до 500 куб. м биогаза. Больше всего его вырабатывают в биогазовой установке, перерабатывающей чистый жир.

Важно: разница между этими случаями касается не только общего количества биогаза.

Концентрация метана тоже может довольно сильно отличаться. Метантенки находят применение и как часть цепочек очистки воды в городе. Внутрь преимущественно подают комбинацию сырого осадка и избытка активного ила, который берут во вторичных отстойниках аэротенков. Активный ил создается при смешивании взвеси, не отфильтрованной на первичном контуре, с коллоидными веществами и микрофлорой, развивающейся на этом коллоиде.

Обзор режимов работы

Сбраживание внутри метантенка может происходить по различным сценариям. Принято различать два основных типа, в зависимости от температуры внутри емкости. Термофильный процесс, характерный для российской практики, проходит при 50-55 градусах. Он существенно быстрее принятого за рубежом мезофильного сбраживания, которое идет при 30-35 градусах. Ничего удивительного в этом нет: подъем температуры попросту активизирует все биохимические изменения.

Увеличение температуры жидкости способствует еще и уменьшению относительного объема резервуаров вдвое (при идентичной производительности).

Но есть еще одно важное преимущество — термофильная стратегия позволяет надежно уничтожить всех паразитических червей и их эмбрионы, в то время как мезофильная — не более 80%, да и то при большой удаче, а обычно около ½. И все же есть доводы в пользу того, чтобы прогревать резервуар слабее.

Нет, речь не о сиюминутной экономии энергии, как можно было бы подумать. Мезофильный подход позволяет полностью обойтись подачей того же тепла, которое вырабатывается сразу на месте при сжигании продуктов брожения. Чтобы осадок согрелся до 50 градусов и выше, особенно в зимний ветреный день, потребуется дополнительное топливо, и эксплуатационные расходы сразу вырастут. Кроме того, сброженная в термофильных условиях масса труднее поддается обезвоживанию. В процессе распада сухая масса сокращается, а доля влаги возрастает; одновременно увеличивается и зольность.

Особенности расчета

Ключевой расчетный параметр — степень распада беззольного вещества. Ее оценивают либо напрямую, по убыли массы, либо по объему вырабатываемого биогаза. При втором варианте вычисляют процент по отношению к изначально загруженной беззольной массе. Эти показатели могут быть идентичны или сильно различны. Расчет по газу при значительной загрузке системы обычно показывает большее значение, чем расчет по беззольной массе; противоположное соотношение типично для слабозагруженных аппаратов с большой продолжительностью сбраживания. В них значительная часть газа успевает раствориться в воде. Исследования и анализ практически работающих систем позволили установить, что точный состав газа и его суммарный выход при разложении каждой составляющей осадка отличается.

Установлено, что больше всего биогаза появляется при распаде жира, а меньше всего его выход при распаде белка. Также эксперты выяснили, что у любых веществ есть предел распада, превысить который невозможно. Определять состав осадка можно, обращая внимание на изначальный состав стоков, поскольку в зависимости от источников он может меняться довольно сильно. Очень актуальный параметр — так называемая доза загрузки. Она равняется процентной доле занимаемого осадком объема (ко всему объему). Связь интенсивности распада с загрузкой рассчитывают по прямолинейной и степенной зависимостям.

Ряд коэффициентов устанавливают экспериментально. Необходимо учитывать рекомендации изготовителей оборудования.

В России, зимой, кроме потребления выработанного биогаза на технологические нужды дополнительно его львиная доля идет на отопление просторных помещений (их объем определяется требованиями пожаро(взрыво)безопасности), где размещаются биореакторы. Поэтому предлагается производство биогаза в России осуществлять только летом, с размещением биореактора в солнечном соляном пруду, с использованием солнечной энергии, и его производство (биогаза), большую часть времени, осуществлять в термофильном режиме, наиболее эффективном режиме метаногенерации, исключая использование биогаза на технологические нужды. По существу, для зимнего периода, предлагается аккумулировать часть солнечной энергии в биогазе.

Технологии, использования отходов растениеводства и животноводства для производства биогаза (биометана) описаны подробно [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Эти технологии более всего подходят для удаленных районов с низкой плотностью населения, энергообеспечение которого связано с высокими затратами по доставке органического топлива и передаче электроэнергии.

Однако при естественной сушке навоза в атмосферу выделяется много биометана и СО₂, что приводит к загрязнению окружающей среды и нерациональному использованию отходов. Так, в США в настоящее время на отходы животноводства приходится около 8 % связанных с деятельностью человека выбросов биометана. Поэтому в США для хранения животных отходов часто используются крытые пруды. При этом для сбора биогаза, выделяющегося из отходов (как правило, при психофильном режиме) применяется так называемая плавающая крыша, вершина которой снабжена клапаном и системой труб для отвода биогаза потребителю. Особенности этой биогазовой технологии подробно описаны в работе [7].

Развитие микробиологической отрасли по анаэробному превращению органических веществ это актуальная задача сегодняшнего дня. В зависимости от конкретной обстановки на первый план может выходить прямое получение энергии, экономия энергии в процессе очистки органических стоков, получение исходных восстановленных веществ из возобновляемых источников энергии (ВИЭ), получение энергии в виде моторного топлива, удобрений длительного действия.

Использование энергии из возобновляемых источников представляется возможностью решения ряда глобальных и региональных проблем, вызванных развитием энергетики, основанной на ископаемом топливе. Современное использование биомассы можно считать использованием возобновляемых ресурсов только в том случае, если система обеспечивает соответствующее возрастание урожая.

Определенные надежды часто возлагают на фотосинтез водорослей, которые могут расти значительно быстрее, чем происходит наземная вегетация. Однако для культивирования водорослей требуется концентрация углекислоты и создание установок, сопоставимых по сложности с гидропоникой. Поскольку последняя дает пищевую продукцию, она, бесспорно, будет иметь приоритет. Вообще в альтернативе: пища или топливо приоритет должен быть отдан пище. Наглядным примером служило развитие гидролизной промышленности в СССР, которая использовала наиболее дешевую и доступную биомассу — лесные отходы.

Общие схемы переработки биомассы представлены в монографии [8].

Как известно, режимы биогазовых технологий в зависимости от температуры подразделяются на психофильный (15 – 20 °С), мезофильный (30 – 40 °С) и термофильный (52 – 56 °С). Анаэробная переработка органических веществ, в биогазовых реакторах представляет собой сложный процесс. Он осуществляется в три основных этапа при участии целого ряда микроорганизмов. Первоначально группа микроорганизмов преобразует органические вещества в форму, которую вторая группа микроорганизмов использует для выработки органических кислот. А затем биометан-производящие анаэробные бактерии разлагают эти кислоты и завершают процесс переработки.

Для увеличения концентрации метанобразующих бактерий в реакторе и интенсификации образования биометана используют способность микроорганизмов хорошо адсорбироваться на поверхностях твердого тела. В качестве иммобилизующих поверхностей используют стекловолокно, капроновые нитки, активированный уголь и другие материалы, причем выход биогаза увеличивается в 2 раза [9].

Также влияет на интенсивность метаногенеза температура.

Теоретические и практические исследования в области биологической переработки растительной биомассы, отходов животноводства и т.д. в биогаз показали, что активность бактерий и соответственно объем биогаза, получаемого в результате переработки, при прочих равных условиях напрямую зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс переработки, больше вырабатывается биогаза, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов. Так, при температуре от 52 до 56 °С выработка биогаза идет в 1,5 – 3 раза быстрее, чем при 30 – 40 °С, и достигается эффективное обеззараживание получаемых удобрений (активность бактерий и, следовательно, выработка биогаза существенно падает в интервале температур 51,7 и 39,4 °С, и в меньшей степени от 35 до 0 °С).

Сегодня интенсивность метаногенерации является одним из основных показателей эффективности технологии получения биогаза, и её повышение – приоритетная задача научных исследований и разработок. Также этот процесс очень чувствителен к таким факторам, как изменение в исходных материалах и к колебаниям температуры — метановые бактерии сравнительно легко выдерживают температурные колебания среды в биореакторе только в пределах 3 – 4 °С/сутки.

Устойчивый процесс метаногенеза может быть осуществлен лишь при равномерной подаче однородного субстрата. В этом случае накапливается микрофлора, осуществляющая основной маршрут, и скорость процесса возрастает. Какие-либо перебои или изменения в составе субстрата, изменения физико-химического режима приводят к тем более длительной задержке, чем интенсивнее шел процесс до этого. Таким образом, не может быть универсальной установки для переработки органического сырья в биометан. Действующим инструментом является не сооружение, а микробное сообщество в нем. Поэтому рекордные возможности метаногенеза обычно бывают на откормочных пунктах, там, где длительная стабилизация состава навоза.

Недостатком подавляющего большинства эксплуатируемых в настоящее время биогазовых установок различных типов является то, что у них поддержание термофильного режима переработки отходов в биогаз обеспечивается за счет недопустимо высокого расхода различных высоколиквидных топлив (за счет сжигания ⅓ части вырабатываемого биометана). А при эксплуатации их в России зимой для них требуются изолированные помещения (укрытия), а значит и дополнительный расход энергии на поддержание в этих помещениях микроклимата. Для сравнения. Потребление теплоты на собственные нужды котельной составляет: при сжигании газового топлива — 2,3 – 2,4, твердого — 2,4 – 4,9, жидкого — 3,5 – 9,7 %.

Возвращаясь к схемам возможных микробиологических путей переработки органических веществ в топливо, следует отметить, что только метаногенез имеет обратный маршрут к биомассе. Сброженный осадок метантенка представляет удобрение длительного действия, которое возвращает питательные элементы на поля и, следовательно, экономит энергию, затрачиваемую на удобрения. Обычным возражением против метаногенеза в сельском хозяйстве служит ссылка на необходимость использования навоза как органического удобрения. Эта ссылка не совсем точна, поскольку при метаногенезе происходит сокращение на ⅔ балластных органических веществ, отходящих в виде биометана и углекислоты, и соответственном сокращении транспортных расходов на вывоз удобрений на поля. Особенно выгоден термофильный вариант метаногенеза, который выполняет наиболее жесткие санитарные требования. Недостатком метаногенеза является его высокая стоимость как метода очистки органических стоков по сравнению с аэробной очисткой.

Если биогазовое сырье высушить и сжечь, то теплота его сгорания составит примерно 16 МДж/кг (около 10 % потенциальной теплоты сгорания теряется в процессе сбраживания). Таким образом, КПД конверсии составляет 90 %. В то же время, материал с повышенной влажностью, будучи введен в процесс сбраживания, дает высококачественное с хорошо управляемым горением газообразное топливо, тогда как одно лишь удаление 95 % влаги из навоза требует до 40 МДж теплоты на 1 кг сухого остатка [10].

Поиски оптимальной архитектуры комбинированных биогазовых установок, способствующей уменьшению использования биометана на собственные технологические нужды при его производстве находит все более широкое отражение в трудах исследователей [11]. Так использование оборудования энергетики ВИЭ — ветроустановок, солнечных коллекторов, для поддержания рабочей температуры в биореакторе позволяет практически в 1,5 – 2 раза повысить КПД биогазовой системы. Это особенно актуально, если очищенный от СО₂ биометан затем использовать в качестве моторного топлива для автотранспорта, или закачивать в существующие сети природного газа.

Метантенк-реактор 1 (рисунок 1) размещен на дне пруда 2, в который поступает прямое солнечное излучение 4 и отраженное от концентратора 5.

1 – метантенк-реактор, 2 – солнечный соляной пруд, 3 – корпус теплового коллектора, 4 – солнечное излучение, 5 – концентратор солнечного излучения, 6 – грунт, 14 – зазор между корпусом теплового коллектора 3 и метантенк-реактором 1.

Рисунок 1 – Схема гелиометантенк-реактора биогазовой комбинированной установки

1 – метантенк-реактор, 2 – солнечный соляной пруд, 3 – корпус теплового коллектора, 7 – трубопровод подачи сырья в реактор, 8 – трубопровод отвода биогаза из реактора, 9 – трубопровод отвода шлама из реактора, 10, 11, 12 – вентиль запорный, 13 – заборник воздуха из атмосферы, 14 – зазор между корпусом теплового коллектора 3 и корпусом метантенк-реактора 1.

Рисунок 2 – Разрез по А — А рисунка 1

Сырьё (растительная биомасса, отходы животноводства и т.д.) по трубопроводу 7 (рисунок 2) подается в метантенк-реактор 1, далее по тексту, в реактор 1, где перемешивается с имеющимся в нем сырьём мешалкой, за счет принудительной гидроциркуляции или по патенту А.В. Семенова [12], что обеспечивает равномерность состава и температуры сырья. Выработанный биогаз по трубопроводу 8 отводится в газгольдер (условно не показан). Образующийся в процессе переработки сырья (ферментации) шлам, равный по объему, поступившему в реактор сырью, выводится (утилизируется) из производственного технологического процесса по трубопроводу 9. В случае если в реакторе 1 отсутствует устройство отделения шлама от сырья, то вместе со шламом удаляется и часть сырья.

Поддержание необходимой температуры ферментации в реакторе 1, за счет использования солнечной энергии обеспечивается следующим образом.

Реактор 1 размещен внутри корпуса теплового коллектора 3 с зазором 14. При заполнении этого зазора водой (при открытых вентилях 10 и 11 и закрытом вентиле 12 поступающая через вентиль 11 вода вытесняет воздух из зазора 14 через вентиль 10 в атмосферу) поступление тепла из солнечного соляного пруда 2 к сырью в реакторе 1 максимально. Это обеспечивает, при необходимости, ускоренный нагрев сырья до наиболее эффективной температуры ферментации от 52 до 56 °С. После нагрева сырья до требуемой температуры, при закрытом вентиле 11 открывают вентили 10 и 12, что обеспечивает слив воды через вентиль 12 и осушение зазора 14. В результате интенсивность поступления тепла из солнечного соляного пруда 2 через воздушный зазор 14 уменьшается в десятки-сотни раз, по сравнению с тем, когда он был заполнен водой.

Такая комбинированная установка генерации биогаза обеспечивает работу реактора 1 в термофильном режиме, без затрат вырабатываемого биометана на собственные технологические нужды. Это очень актуально, если затем биометан используется в качестве моторного топлива, для обжига кирпича, освещения, для производства асфальта, выработки пара и для других технологических процессов, где нужна температура намного превышающая 100 о С. Биометаном можно заправлять локомотивы-турбовозы. Удаляемый при очистке биогаза до биометана углекислый газ можно использовать для выращивания водорослей.

При работе солнечной биогазовой установки только летом, зимой можно создавать значительные запасы навоза. Используя его летом вместе с отходами овощеводства и растениеводства можно бесперебойно готовить однородную органическую массу для ферментации — обеспечивая максимальную эффективность работы.

Подогретая в зазоре 14 реактора вода весной может использоваться для полива в теплицах и парниках, обеспечивая поддержание в них приемлемой температуры не только воздуха но и грунта, т.к., например, в мае естественная средняя месячная температура почвы на юге Омской области на глубине 0,4 составляет 8,7 °С, на глубине 0,8 м — 5,1 °С, а на глубине 1,6 м — всего 0,9 °С.

Зимой реактор 1, после очистки от шлама, можно использовать для резервного хранения биометана, пропана, бутана или природного газа.

При выработке биогаза насущной задачей является поиск оптимизации режимов — наилучшего режима без дополнительных текущих затрат.

Использование в технологическом производстве биогаза солнечной энергии позволяет обеспечить его летнее и осеннее производство с наибольшей эффективностью, что особенно важно в районах, отрезанных от крупных энергетических центров из-за разлива рек, бездорожья и т.д. Биогазовая отрасль может занять подобающее ей место, поскольку будет также обеспечивать, за счет вырабатываемого удобрения подержание плодородия почв, предотвращать свободную эмиссию биометана в атмосферу.

По данным Х.З. Барабанер [13] сейчас в среднем за год гектар пашни получает (получал) 48 – 50 кг минеральных удобрений и 5,0 – 5,6 т навоза: что соответствует внесению — 11624078 МДж, а вынос всем биологическим урожаем — в 7 раз больше. Если же учесть, что органическая масса корневой системы, стерни и часть стеблей остаются в почве, то разница сокращается с 7 до 3,5 – 4 раз. Нельзя не учитывать и способности бобовых культур фиксировать биологический азот в почве (люцерна — 300, клевер — 200, кормовые бобы — 100, соя — 80, люпин — 70 кг/га), что позволяет снизить указанную разницу с 3,5 – 4 до 2,0 – 2,5 раз. Эта разница и определяет пределы необходимого сбалансирования выноса и внесения в почву питательных веществ. В связи с тем, что удельная энергоемкость навоза на порядок ниже минеральных удобрений, максимизация его внесения неразрывно связана с оптимизацией насыщенности сельских хозяйств животноводством. Для сохранения плодородия почвы необходимо иметь 74 условные головы крупного рогатого скота на 100 га пашни.

Исходя из такой потребности в удобрениях, приводим краткий перечень органических отходов различных производств, пригодных для выработки биогаза (биометана) и удобрений: зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом (при производстве сахара из свеклы отходы и побочные продукты составляю 85 – 88 % веса сырья), отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки). А также трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизельного топлива — технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов— очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа [14].

В таблице 1 приведена возможная выработка биогаза при переработке подобного биотоплива.

Таблица 1 – Средний удельный выход биогаза при переработке различных сельскохозяйственных отходов [15]

Читайте также: