ЩО ТАКЕ БІОГАЗ?
Останнім часом все більше уваги привертають нетрадиційні — з технічної точки зору — джерела енергії: сонячне випромінювання, морські припливи та хвилі і багато іншого. Деякі з них — наприклад вітер — знаходили широке застосування і в минулому, а сьогодні переживають друге народження. Одним із «забутих» видів сировини є і біогаз, що використовувався ще в Стародавньому Китаї і знову «відкритий» у наш час.
Що ж таке біогаз? Цим терміном позначають газоподібний продукт, що отримується в результаті анаеробної, тобто такої, що відбувається без доступу повітря, ферментації (перегнивання) органічних речовин найрізноманітнішого походження. У будь-якому селянському господарстві протягом року збирається значна кількість гною, ботви рослин, різних відходів. Зазвичай після розкладання їх використовують як органічне добриво. Однак мало хто знає, яка кількість біогазу та тепла виділяється при ферментації. Адже ця енергія теж може послужити добру службу сільським жителям.
Біогаз — суміш газів. Його основні компоненти: метан (СН4) — 55—70% та вуглекислий газ (СО2) — 28—43%, а також у дуже малих кількостях інші гази, наприклад — сірководень (H2S).
У середньому 1 кг органічної речовини, біологічно розкладеної на 70%, виробляє 0,18 кг метану, 0,32 кг вуглекислого газу, 0,2 кг води та 0,3 кг нерозкладного залишку.
ФАКТОРИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА ВИРОБНИЦТВО БІОГАЗУ
Оскільки розкладання органічних відходів відбувається завдяки діяльності певних типів бактерій, істотний вплив на нього має навколишнє середовище. Так, кількість виробленого газу значною мірою залежить від температури: чим тепліше, тим вища швидкість і ступінь ферментації органічної сировини. Саме тому, ймовірно, перші установки для отримання біогазу з’явилися в країнах з теплим кліматом. Однак застосування надійної теплоізоляції, а іноді й підігрітої води дозволяє освоїти будівництво генераторів біогазу в районах, де температура взимку опускається до —20°. Існують певні вимоги і до сировини: воно має бути придатним для розвитку бактерій, містити біологічно розкладну органічну речовину та у великій кількості воду (90—94%). Бажано, щоб середовище було нейтральним і без речовин, що заважають дії бактерій: наприклад, мила, пральних порошків, антибіотиків.
А — з конічним дзвоном, Б — з пірамідальним:
1 — яма ферментатора з сировиною, 2 — дзвін, 3 — випускний патрубок, 4 — трубопровід (шланг) подачі біогазу, 5 — канавка гідрозатвора з водою.
Для отримання біогазу можна використовувати рослинні та господарські відходи, гній, стічні води тощо. У процесі ферментації рідина в резервуарі має тенденцію до розділення на три фракції. Верхня — кірка, утворена з великих частинок, що захоплюються піднімаючимися бульбашками газу, через деякий час може стати досить твердою і буде заважати виділенню біогазу. У середній частині ферментатора накопичується рідина, а нижня, брудоподібна фракція випадає в осад.
Бактерії найбільш активні в середній зоні. Тому вміст резервуара необхідно періодично перемішувати — хоча б один раз на добу, а бажано — до шести разів. Перемішування може здійснюватися за допомогою механічних пристроїв, гідравлічними засобами (рециркуляція під дією насоса), під тиском пневматичної системи (часткова рециркуляція біогазу) або за допомогою різних методів самоперемішування.
УСТАНОВКИ ДЛЯ ОТРИМАННЯ БІОГАЗУ
У Румунії генератори біогазу отримали широке поширення. Одна з перших індивідуальних установок (рис. 1А) була введена в експлуатацію ще в грудні 1982 року. З того часу вона успішно забезпечує газом три сусідні сім’ї, що мають кожна по звичайній газовій плиті з трьома конфорками та духовкою.
Ферментатор знаходиться в ямі діаметром близько 4 м і глибиною 2 м (об’єм приблизно 25 м3), викладеної зсередини покрівельним залізом, звареним двічі: спочатку електрозварюванням, а потім, для надійності, газовим. Для антикорозійного захисту внутрішня поверхня резервуара покрита смолою. Ззовні верхньої кромки ферментатора зроблена кільцева канавка з бетону глибиною приблизно 1 м, що виконує функцію гідрозатвора; у цій канавці, заповненій водою, ковзає вертикальна частина дзвона, що закриває резервуар. Дзвін висотою близько 2,5 м — з листової двохміліметрової сталі. У верхній його частині і збирається газ.
Автор цього проекту обрав варіант збирання газу на відміну від інших установок за допомогою труби, що знаходиться всередині ферментатора і має три підземні відгалуження — до трьох господарств. Крім того, вода в канавці гідрозатвора проточна, що запобігає обмерзанню взимку.
Ферментатор завантажується приблизно 12 м3 свіжого гною, поверх якого виливається коров’яча сеча (без додавання води). Генератор починає працювати через 7 днів після наповнення.
Схожу компонування має ще одна установка (рис. 1Б). Її ферментатор зроблений у ямі, що має квадратний поперечний переріз розмірами 2×2 і глибиною приблизно 2,5 м. Яма облицьована залізобетонними плитами товщиною 10—12 см, оштукатурена цементом і покрита для герметичності смолою. Канавка гідрозатвора глибиною близько 50 см також бетонна, дзвін зварений з покрівельного заліза і може на чотирьох «вушках» вільно ковзати по чотирьох вертикальних напрямних, встановлених на бетонному резервуарі. Висота дзвона приблизно 3 м, з яких 0,5 м занурено в канавку.
При першому наповненні в ферментатор було завантажено 8 м3 свіжого коров’ячого гною, а зверху залито приблизно 400 л коров’ячої сечі. Через 7— 8 днів установка вже повністю забезпечувала власників газом.
Аналогічну конструкцію має і генератор біогазу, розрахований на прийом 6 м3 змішаного гною (від корів, овець і свиней). Цього виявилося достатньо, щоб забезпечити нормальну роботу газової плити з трьома конфорками та духовкою.
Ще одна установка відрізняється цікавою конструктивною деталлю: біля ферментатора укладені приєднані до нього за допомогою Т-подібного шланга три великі тракторні камери, з’єднані і між собою (рис. 2). У нічний час, коли біогаз не використовується і накопичується під дзвоном, виникає небезпека, що останній через надлишковий тиск перекинеться. Гумовий резервуар служить додатковою ємністю. Ферментатора розміром 2X2X1,5 м цілком достатньо для роботи двох пальників, а при збільшенні корисного об’єму установки до 1 м3 можна отримати кількість біогазу, достатню і для обігріву житла. Особливість цього варіанту установки — пристрій дзвона Ø 138 см і висотою 150 см з проґумованого полотна, що застосовується для виготовлення надувних човнів. Ферментатор являє собою металевий резервуар Ø 140X300 см і має об’єм 4,7 м3. Дзвін вводиться в знаходячийся в ферментаторі гній на глибину не менше 30 см для забезпечення гідравлічного заслону виходу біогазу в атмосферу. У верхній частині розбухаючого резервуара передбачений кран, з’єднаний зі шлангом; по ньому газ надходить до газової плити з трьома конфорками та колонки для нагрівання води. Щоб забезпечити оптимальні умови для роботи ферментатора, гній змішується з гарячою водою. Найкращі результати установка показала при вологості сировини 90% та температурі 30—35°.
Для обігріву ферментатора використовується і ефект теплиці. Над ємністю споруджується металевий каркас, який покривають поліетиленовою плівкою: при несприятливих погодних умовах вона зберігає тепло і дозволяє помітно прискорити процес розкладання сировини.
1 — трубопровід виходу біогазу, 2 — дзвін, 3 — корпус ферментатора, 4 — сировина, 5 — система підігріву сировини, 6 — розкоси металевої конструкції дзвона, 7 — напрямна труба дзвона, 8 — металевий каркас теплиці, 9 — трубопровід подачі гарячої води.
У Румунії генератори біогазу використовуються і в державних або кооперативних господарствах. Ось один із них. Він має два ферментатори місткістю по 200 м3, закритих каркасом з поліетиленовою плівкою (рис. 3). Взимку гній обігрівається гарячою водою. Продуктивність установки становить 300—480 м3 газу на добу. Такої кількості цілком вистачає для забезпечення всіх потреб місцевого агропромислового комплексу.
ПРАКТИЧНІ ПОРАДИ
Як уже зазначалося, вирішальну роль у розвитку процесу ферментації відіграє температура: нагрівання сировини з 15 до 20 може вдвічі збільшити виробництво енергоносія. Тому частина генераторів має спеціальну систему підігріву сировини, однак більшість установок не обладнано нею; вони використовують лише тепло, що виділяється в процесі самого розкладання органічних речовин. Однією з найважливіших умов нормальної роботи ферментатора є наявність надійної теплоізоляції. Крім того, необхідно звести до мінімуму втрати тепла при очищенні та наповненні бункера ферментатора.
Необхідно пам’ятати також про необхідність забезпечення біохімічного рівноваги. Іноді темпи виробництва бактеріями кислот вищі, ніж темпи їх споживання бактеріями другої групи. У цьому випадку кислотність маси зростає, а вироблення біогазу знижується. Положення може бути виправлено або зменшенням щоденної порції сировини, або збільшенням його розчинності (за можливості, гарячою водою), або, нарешті, додаванням нейтралізуючої речовини — наприклад вапняного молока, пральної або питної соди.
Виробництво біогазу може зменшитися через порушення співвідношення між вуглецем та азотом. У цьому випадку в ферментатор вводять речовини, що містять азот, — сечу або в невеликій кількості солі амонію, що використовуються зазвичай як хімічні добрива (50 — 100 г на 1 м3 сировини).
Слід пам’ятати, що висока вологість та наявність сірководню (вміст якого в біогазі може досягати 0,5%) стимулюють підвищену корозію металевих частин установки. Тому стан усіх інших елементів ферментатора слід регулярно контролювати і в місцях пошкоджень ретельно захищати: найкраще свинцевим суриком — в один або два шари, а потім ще двома шарами будь-якої олійної фарби.
1 — шланг подачі біогазу, 2 — U-подібна трубка, 3 — конденсована вода.
Як трубопровід для транспортування біогазу від випускного патрубка у верхній частині дзвона установки до споживача можуть використовуватися як труби (металеві або пластмасові), так і гумові шланги. Їх бажано вести в глибокій траншеї, щоб виключити розриви через замерзання взимку конденсувавшоїся води. Якщо ж транспортування газу за допомогою шланга здійснюється повітрям, то для відведення конденсату необхідний спеціальний пристрій. Найпростіша схема такого пристосування являє собою U-подібну трубку, приєднану до шланга в самій нижній його точці (рис. 4). Довжина вільної гілки трубки (х) має бути більшою, ніж виражений у міліметрах водяного стовпа тиск біогазу. По мірі того, як у трубку стікає конденсат з трубопроводу, вода виливається через її вільний кінець без витоку газу.
У верхній частині дзвона доцільно також передбачити патрубок для встановлення манометра, щоб за величиною тиску судити про кількість накопиченого біогазу.
Досвід експлуатації установок показав, що використання як сировини суміші різних органічних речовин дає більше біогазу, ніж при завантаженні ферментатора одним із компонентів. Вологість сировини рекомендується трохи зменшувати взимку (до 88 — 90%) і підвищувати влітку (92-94%). Вода, яку використовують для розведення, має бути теплою (бажано 35—40°). Сировина подається порціями, принаймні один раз на добу. Після першого завантаження ферментатора нерідко спочатку виробляється біогаз, який містить понад 60% вуглекислого газу і тому не горить. Цей газ видаляють в атмосферу, і через 1—3 дні установка почне функціонувати нормально.
За матеріалами журналу «Техніум», CPР