Kaip gauti biodujas iš mėšlo: pagrindinių principų ir gamybos įrenginio apžvalga

Ūkiai kasmet susiduria su mėšlo utilizavimo problema. Nemažos lėšos išeina veltui, kurių reikia jo išvežimo ir laidojimo organizavimui. Tačiau yra būdas, leidžiantis ne tik sutaupyti pinigus, bet ir priversti šį natūralų produktą tarnauti jūsų labui.

Taupūs šeimininkai jau seniai praktiškai taiko ekotechnologiją, leidžiančią gauti biodujas iš mėšlo ir naudoti rezultatą kaip kurą.

Todėl mūsų medžiagoje kalbėsime apie biodujų gavimo technologiją, taip pat papasakosime, kaip pastatyti bioenergetinį įrenginį.

Biotechnologijų naudojimo pranašumai

Technologija gauti biokurą iš įvairių gamtinių šaltinių nėra nauja. Tyrimai šioje srityje prasidėjo dar XVIII a. pabaigoje ir sėkmingai plėtojosi XIX amžiuje. Tarybų Sąjungoje pirmoji bioenergetinė įranga buvo sukurta praėjusio amžiaus keturiasdešimtuosiuose metuose.

Biotechnologijos jau seniai taikomos daugelyje šalių, tačiau būtent šiandien jos įgyja ypatingą reikšmę. Dėl blogėjančios ekologinės padėties planetoje ir didelių energijos išteklių kainų daugelis nukreipia žvilgsnius į alternatyvius energijos ir šilumos šaltinius.

Mėšlo perdirbimo į biogazą technologija leidžia sumažinti kenksmingų metano išmetimų į atmosferą kiekį ir gauti papildomą šiluminės energijos šaltinį.

Be abejo, mėšlas yra labai vertinga trąša, ir jei ūkyje laikomos dvi karvės, tai problemų dėl jo panaudojimo nekyla. Visai kitaip yra, kai kalbama apie ūkius su dideliu ir vidutiniu gyvulių skaičiumi, kur per metus susidaro tonos dvokiančios ir pūvančios biologinės medžiagos.

Kad mėšlas taptų kokybiška trąša, reikia tam tikro temperatūrinio režimo plotų, o tai – papildomos išlaidos. Todėl daugelis ūkininkų jį sandėliuoja bet kur, o paskui išveža į laukus.

Priklausomai nuo per parą susidarančio žaliavos kiekio, reikėtų parinkti įrenginio gabaritus ir jo automatizavimo laipsnį.

Nesilaikant laikymo sąlygų, iš mėšlo išsiskiria iki 40 % azoto ir didžioji dalis fosforo, o tai labai pablogina jo kokybės rodiklius. Be to, į atmosferą išmetamas metanas, darantis neigiamą poveikį planetos ekologinei būklei.

Šiuolaikinės biotechnologijos leidžia ne tik neutralizuoti kenksmingą metano poveikį ekologinei situacijai, bet ir priversti jį tarnauti žmonių gerovei, gaunant nemažą ekonominę naudą. Perdirbant mėšlą, gaminamas biogazas, iš kurio vėliau galima gauti tūkstančius kWh energijos, o gamybos atliekos yra labai vertingos anaerobinės trąšos.

Dujų susidarymo iš organinių žaliavų mechanizmas

Biogazas – tai lakioji medžiaga be spalvos ir jokio kvapo, kurioje yra iki 70% metano. Savo kokybiniais rodikliais jis artėja prie tradicinės kuro rūšies – gamtinių dujų. Jis pasižymi geru šilumingumu, 1m³ biogazo išskiria tiek šilumos, kiek gaunama sudegus pusantro kilogramo anglies.

Už biogazo susidarymą esame dėkingi anaerobinėms bakterijoms, kurios aktyviai dirba skaidydamos organines žaliavas, kuriomis naudojamas žemės ūkio gyvūnų mėšlas, paukščių išmatos, bet kokių augalų atliekos.

Savarankiškai gaminant biogazą gali būti naudojamos paukščių išmatos ir smulkių bei stambių naminių gyvūnų gyvybinės veiklos produktai. Žaliava gali būti naudojama gryna forma ir mišinio pavidalu su žole, lapais, senu popieriumi.

Norint suaktyvinti procesą, būtina sukurti palankias sąlygas bakterijų gyvybinei veiklai. Jos turėtų būti panašios į tas, kuriose mikroorganizmai vystosi natūraliame rezervuare – gyvūnų skrandyje, kur šilta ir nėra deguonies.

Iš tiesų, tai yra dvi pagrindinės sąlygos, padedančios stebuklingai paversti pūvančią mėšlo masę ekologiškai švariu kuru ir vertingomis trąšomis.

Biogazui gauti reikalingas hermetiškas reaktorius be oro prieigos, kuriame vyks mėšlo fermentacijos ir jo skaidymo į sudedamąsias dalis procesas:

• metanas (iki 70%);
• anglies dioksidas (apie 30%);
• kitos dujinės medžiagos (1-2%).

Susidariusios dujos kyla į talpos viršų, iš kur jos vėliau išsiurbiamos, o apačioje nusėda liekamasis produktas – aukštos kokybės organinė trąša, po apdorojimo išsaugojusi visas vertingas mėšle esančias medžiagas – azotą ir fosforą – ir praradusi didelę dalį patogeninių mikroorganizmų.

Biogazo gavimo reaktorius turi būti visiškai hermetiškos konstrukcijos, be deguonies, priešingu atveju mėšlo skaidymo procesas vyks labai lėtai.

Antra svarbi sąlyga efektyviam mėšlo skaidymui ir biogazo susidarymui – temperatūros režimo laikymasis. Procese dalyvaujančios bakterijos suaktyvėja esant aukštesnei nei +30 laipsnių temperatūrai.

Be to, mėšle yra dviejų rūšių bakterijos:

• mezofiliniai. Jų gyvybinė veikla vyksta esant +30 – +40 laipsnių temperatūrai;
• termofiliniai. Jų dauginimuisi būtina laikytis +50 (+60) laipsnių temperatūros režimo.

Žaliavos perdirbimo laikas pirmojo tipo įrenginiuose priklauso nuo mišinio sudėties ir svyruoja nuo 12 iki 30 parų. Be to, 1 litras naudingojo reaktoriaus ploto duoda 2 litrus biokuro. Naudojant antrojo tipo įrenginius, galutinio produkto pagaminimo laikas sumažėja iki trijų dienų, o biodujų kiekis padidėja iki 4,5 litro.

Termofilinių įrenginių efektyvumas matomas plika akimi, tačiau jų priežiūros kaina yra labai didelė, todėl prieš pasirenkant vieną ar kitą biodujų gavimo būdą, būtina labai atidžiai viską apskaičiuoti.

Nepaisant to, kad termofilinių įrenginių efektyvumas yra dešimtis kartų didesnis, jie naudojami daug rečiau, nes aukštų temperatūrų palaikymas reaktoriuje susijęs su didelėmis išlaidomis.

Mezofilinio tipo įrenginių priežiūra ir eksploatavimas yra pigesni, todėl dauguma ūkių biodujoms gauti naudoja būtent juos.

Biodujos pagal energetinio potencialo kriterijus nedaug nusileidžia įprastiniam dujiniam kurui. Tačiau jų sudėtyje yra sieros rūgšties garų, į kurių buvimą reikia atsižvelgti renkantis medžiagas įrenginiui statyti.

Biodujų naudojimo efektyvumo skaičiavimai

Įvertinti visus alternatyvaus biokuro naudojimo privalumus padės nesudėtingi skaičiavimai. Viena 500 kg sverianti karvė per parą pagamina maždaug 35-40 kg mėšlo. Šio kiekio pakanka gauti apie 1,5 m³ biodujų, iš kurių savo ruožtu galima pagaminti 3 kWh elektros energijos.

Naudojant lentelės duomenis, nesunku apskaičiuoti, kiek m³ biodujų galima gauti išėjime pagal ūkyje esantį gyvulių skaičių.

Biokurui gauti galima naudoti tiek vieną rūšies organinę žaliavą, tiek kelių komponentų mišinius, kurių drėgnumas 85-90%. Svarbu, kad juose nebūtų pašalinių cheminių priemaišų, neigiamai veikiančių perdirbimo procesą.

Paprasčiausią mišinio receptą dar 2000 metais sugalvojo vienas rusų vyras iš Lipecko srities, kuris savo rankomis pasistatė paprasčiausią biodujų gavimo įrenginį. Jis sumaišydavo 1500 kg karvės mėšlo su 3500 kg įvairių augalų atliekų, įpildavo vandens (maždaug 65% nuo visų ingredientų svorio) ir pašildydavo mišinį iki 35 laipsnių.

Po dviejų savaičių nemokamas kuras yra paruoštas. Šis nedidelis įrenginys pagamindavo 40 m³ dujų per dieną, ko visiškai pakakdavo namo ir ūkinių pastatų šildymui pusę metų.

Biokuro gamybos įrenginių variantai

Atlikus skaičiavimus, būtina apsispręsti, kaip pagaminti įrenginį, kad būtų gauta biodujų pagal savo ūkio poreikius. Jei gyvulių banda nedidelė, tiks paprasčiausias variantas, kurį nesunku pasigaminti iš po ranka esančių medžiagų savo rankomis.

Stambiems ūkiams, turintiems nuolatinį didelio kiekio žaliavų šaltinį, tikslinga pastatyti pramoninę automatizuotą biodujų sistemą. Šiuo atveju vargu ar pavyks išsiversti nepasitelkus specialistų, kurie parengs projektą ir sumontuos įrenginį profesionaliu lygiu.

Schemoje aiškiai parodyta, kaip veikia pramoninis automatizuotas biodujų gavimo kompleksas. Tokio masto statybą galima organizuoti keliems netoliese esantiems ūkiams.

Šiandien egzistuoja dešimtys įmonių, kurios gali pasiūlyti daugybę variantų: nuo paruoštų sprendimų iki individualaus projekto kūrimo. Norint sumažinti statybos kainą, galima bendradarbiauti su kaimyniniais ūkiais (jei tokių yra netoliese) ir pastatyti vieną visiems bendrą biodujų gavimo įrenginį.

Reikia atsižvelgti, kad net ir mažo įrenginio statybai būtina sutvarkyti atitinkamus dokumentus, sudaryti technologinę schemą, įrangos ir vėdinimo išdėstymo planą (jei įranga montuojama patalpoje), pereiti derinimo procedūras su SES, priešgaisrine ir dujų inspekcija.

Mini gamyklą dujų gamybai, skirtą nedidelio privataus ūkio poreikiams patenkinti, galima pasigaminti savo rankomis, remiantis pramoniniu mastu gaminamų įrenginių konstrukcija ir specifika.

Mėšlo ir augalinės organikos perdirbimo į biodujas įrenginių konstrukcijos nėra sudėtingos. Pramonės pagamintas originalas puikiai tiks kaip šablonas nuosavai mini gamyklai įrengti.

Savo įrenginio statyba užsiimti nusprendę savamoksliai meistrai turi apsirūpinti vandens talpa, vandentiekio ar kanalizacijos plastikiniais vamzdžiais, kampinėmis atšakomis, sandarikliais ir balionu gautoms dujoms laikyti.

Biodujų sistemos ypatumai

Visavertė biogazimo įranga yra sudėtinga sistema, susidedanti iš:

1. Bioreaktoriaus, kuriame vyksta mėšlo skaidymo procesas;
2. Automatizuotos organinių atliekų padavimo sistemos;
3. Biomasės maišymo įrenginio;
4. Įrangos optimaliam temperatūros režimui palaikyti;
5. Dujų talpyklos – konteinerio dujoms laikyti;
6. Kietųjų atliekų imtuvo.

Visi aukščiau išvardinti elementai įrengiami pramoniniuose įrenginiuose, veikiančiuose automatiniu režimu. Buitiniai reaktoriai paprastai turi paprastesnę konstrukciją.

Schemoje pateikti pagrindiniai automatizuotos biogazimo sistemos komponentai. Reaktoriaus tūris priklauso nuo paros organinių žaliavų kiekio. Kad įrenginys pilnai veiktų, reaktorius turi būti užpildytas dviem trečdaliams tūrio.

Įrenginio veikimo principas

Pagrindinis sistemos elementas yra bioreaktorius. Yra keli jo variantai, svarbiausia užtikrinti konstrukcijos sandarumą ir neleisti patekti deguoniui. Jis gali būti pagamintas kaip įvairios formos (dažniausiai cilindrinis) metalinis konteineris, esantis paviršiuje. Dažnai šiems tikslams naudojami 50 kubinių metrų tušti degalų cisternos.

Galima įsigyti paruoštus išardomos konstrukcijos rezervuarus. Jų pranašumas – galimybė greitai išardyti ir, esant reikalui, pervežti į kitą vietą. Pramonines paviršiaus sistemas tikslinga naudoti dideliuose ūkiuose, kur nuolat patenka didelis kiekis organinių žaliavų.

Mažiems kiemams labiau tinka požeminio rezervuaro varianto. Požeminis bunkeris statomas iš plytų ar betono. Galima įkasti į žemę paruoštus rezervuarus, pavyzdžiui, metalines, nerūdijančio plieno ar PVC statines. Taip pat galimas jų paviršinis išdėstymas lauke arba specialiai tam skirtoje patalpoje su gera ventiliacija.

Norint pagaminti biogazo gamybos įrenginį, galima įsigyti paruoštus PVC rezervuarus ir juos sumontuoti ventiliuojamoje patalpoje.

Nepriklausomai nuo to, kur ir kaip išdėstytas reaktorius, jame yra bunkeris mėšlui krauti. Prieš kraunant žaliavą, ji turi būti paruošta: susmulkinama į ne didesnes nei 0,7 mm frakcijas ir skiedžiama vandeniu. Idealiu atveju substrato drėgnumas turėtų būti apie 90%.

Automatinės pramoninio tipo sistemos turi žaliavų tiekimo sistemą, kurią sudaro priėmimo įrenginys, kuriame mišinys drėkinamas iki reikiamo drėgnumo, vandentiekis vandeniui tiekti ir siurblinė masės perpumpavimui į bioreaktorių.

Namų sistemose substratui paruošti naudojami atskiri rezervuarai, kuriuose atliekos susmulkinamos ir sumaišomos su vandeniu. Tuomet masė kraunama į priėmimo skyrių. Po žeme įrengtuose reaktoriuose bunkeris substratui priimti išvedamas į lauką, o paruoštas mišinys savaime vamzdžiu teka į fermentacijos kamerą.

Jei reaktorius išdėstytas ant žemės arba patalpoje, įvado vamzdis su priėmimo įtaisu gali būti rezervuaro apatinėje šoninėje dalyje. Taip pat galima vamzdį išvesti į viršutinę dalį, o ant jo kakliuko uždėti platėjantį antgalį. Tokiu atveju biomasę teks tiekti siurbliu.

Bioreaktoriuje taip pat būtina numatyti išėjimo angą, kuri daroma beveik rezervuaro dugne, priešingoje pusėje nei įvado bunkeris. Požeminiu būdu išdėstant, išėjimo vamzdis montuojamas įstrižai į viršų ir veda į atliekų priėmimo angą, primenančią stačiakampę dėžę. Jos viršutinis kraštas turi būti žemiau įvado angos lygio.

Įvado ir išėjimo vamzdžiai yra išdėstyti įstrižai į viršų skirtingose rezervuaro pusėse, o kompensacinis rezervuaras, į kurį patenka atliekos, turi būti žemiau priėmimo bunkerio.

Procesas vyksta taip: įvesties bunkeris priima naują substrato partiją, kuri nuteka į reaktorių; tuo pačiu metu toks pats kiekis atliekinės masės vamzdžiu kyla į atliekų imtuvą, iš kurio vėliau ji išsemiama ir naudojama kaip aukštos kokybės bio trąša.

Biodujų saugojimas vykdomas dujų rezervuare (dujų laikiklyje). Dažniausiai jis yra tiesiai ant reaktoriaus stogo ir turi kupolo arba kūgio formą. Jis gaminamas iš stogo dangos geležies, o po to, siekiant išvengti korozijos procesų, dažomas keliais aliejiniais dažų sluoksniais.

Pramoninėse instaliacijose, skirtose dideliam dujų kiekiui gauti, dujų laikiklis dažnai yra atskirai stovintis rezervuaras, sujungtas su reaktoriumi vamzdynu.

Fermentacijos būdu gautos dujos netinka naudoti, nes jose yra daug vandens garų, ir tokios formos jos nedega. Norint išvalyti jas nuo vandens frakcijų, dujos praleidžiamos per hidraulinį užraktą (vandens užtvarą). Tam iš dujų laikiklio išvedamas vamzdis, kuriuo biodujos patenka į indą su vandeniu, o iš ten jos plastikiniu arba metaliniu vamzdžiu tiekiamos vartotojams.

Po žeme esančio įrenginio schema. Įėjimo ir išėjimo angos turi būti priešingose talpyklos pusėse. Virš reaktoriaus yra vandens užtvaras, per kurį gautos dujos praleidžiamos džiovinimui.

Kai kuriais atvejais dujoms laikyti naudojami specialūs maišai-dujų laikikliai, pagaminti iš polivinilchlorido. Maišai dedami šalia įrenginio ir palaipsniui užpildomi dujomis. Pildant, elastinga medžiaga išsipučia, o maišų tūris didėja, leidžiant prireikus laikinai sukaupti didesnį galutinio produkto kiekį.

Efektyvaus bioreaktoriaus veikimo sąlygos

Efektyviam įrenginio darbui ir intensyviam biodujų išsiskyrimui būtina tolygi organinio substrato fermentacija. Mišinys turi nuolat judėti. Priešingu atveju ant jo susidaro pluta, skaidymo procesas sulėtėja, ir dujų gaunama mažiau nei iš pradžių apskaičiuota.

Siekiant užtikrinti aktyvų biomasės maišymą, standartinio reaktoriaus viršutinėje arba šoninėje dalyje įrengiamos panardinamosios arba pasvirusios maišyklės su elektrine pavara. Mėgėjiškose instaliacijose maišymas atliekamas mechaniniu būdu, naudojant įrenginį, panašų į buitinį maišytuvą. Juo galima valdyti rankiniu būdu arba aprūpinti elektrine pavara.

Esant vertikaliam reaktoriaus išdėstymui, maišyklės rankena išvedama į viršutinę įrenginio dalį. Jei talpykla sumontuota horizontaliai, sraigtas taip pat yra horizontalioje plokštumoje, o rankena yra bioreaktoriaus šone.

Viena iš svarbiausių sąlygų biogazui gauti yra būtinos temperatūros režimo palaikymas reaktoriuje. Šildymas gali būti vykdomas keliais būdais. Stacionariuose įrenginiuose naudojamos automatinės šildymo sistemos, kurios įsijungia, kai temperatūra nukrenta žemiau nustatyto lygio, ir išsijungia, kai pasiekiamas reikiamas temperatūros režimas.

Šildymui galima naudoti dujinius katilus, tiesiogiai šildyti elektriniais šildytuvais arba įmontuoti į talpos pagrindą kaitinimo elementą.

Norint sumažinti šilumos nuostolius, rekomenduojama aplink reaktorių pastatyti nedidelį karkasą su stiklo vatos sluoksniu arba uždengti įrenginį šilumos izoliacija. Geromis šilumos izoliacinėmis savybėmis pasižymi polistireninis putplastis ir kitos jo rūšys.

Norint įrengti biomasės šildymo sistemą, galima nutiesti vamzdyną nuo namo šildymo, kuris maitinamas iš reaktoriaus

Reikiamo tūrio nustatymas

Reaktoriaus tūris nustatomas pagal ūkyje pagaminamą paros mėšlo kiekį. Taip pat būtina atsižvelgti į žaliavos tipą, temperatūros režimą ir fermentacijos laiką. Kad įrenginys veiktų pilnavertiškai, talpa užpildoma 85–90 % tūrio, mažiausiai 10 % turi likti laisvo dujų išėjimui.

Organikos skaidymo procesas mezofiliniame įrenginyje, esant vidutinei 35 laipsnių temperatūrai, trunka nuo 12 parų, po to fermentuotos liekanos pašalinamos, o reaktorius užpildomas nauja substrato porcija. Kadangi prieš patekdamos į reaktorių atliekos skiedžiamos vandeniu iki 90 %, skysčio kiekį taip pat reikia atsižvelgti nustatant paros apkrovą.

Remiantis pateiktais rodikliais, reaktoriaus tūris bus lygus paros paruošto substrato (mėšlo su vandeniu) kiekiui, padaugintam iš 12 (laikas, reikalingas biomasei suirti) ir padidintam 10 % (laisvas talpos tūris).

Požeminio statinio statyba

Dabar pakalbėsime apie paprasčiausią įrenginį, leidžiantį mažiausiomis sąnaudomis gauti biogazą namuose. Panagrinėsime požeminės sistemos statybą. Norint ją pagaminti, reikia iškasti duobę, jos pagrindas ir sienos užpilami armuotu keramzitbetoniu.

Priešingose kameros pusėse išvedamos įėjimo ir išėjimo angos, į kurias montuojami pasvirę vamzdžiai substratui tiekti ir atliekinei masei išsiurbti.

Išėjimo vamzdis, kurio skersmuo maždaug 7 cm, turi būti beveik pačiame bunkerio dugne; kitas jo galas montuojamas į kompensacinę stačiakampio formos talpą, į kurią bus siurbiamos atliekos. Substrato tiekimo vamzdynas yra maždaug 50 cm atstumu nuo dugno, jo skersmuo 25–35 cm. Viršutinė vamzdžio dalis patenka į žaliavos priėmimo skyrių.

Reaktorius turi būti visiškai sandarus. Siekiant išvengti oro patekimo, talpyklą reikia padengti bituminės hidroizoliacijos sluoksniu.

Bunkerio viršuje yra dujų rezervuaras (dujų talpa), turintis kupolinę arba kūginę formą. Jis gaminamas iš metalo lakštų arba stogo dangos geležies. Taip pat konstrukciją galima užbaigti mūriniu pamūru, kuris vėliau aptraukiamas plieniniu tinkleliu ir tinkuojamas. Dujų talpos viršuje reikia įrengti sandarų liuką, išvesti dujų vamzdį, einantį per hidraulinį vožtuvą, ir sumontuoti slėgio mažinimo vožtuvą.

Substratui maišyti galite įrenginį aprūpinti drenažo sistema, veikiančia burbulinimo principu. Tam konstrukcijos viduje vertikaliai pritvirtinkite plastikinius vamzdžius, kad jų viršutinis kraštas būtų aukščiau substrato sluoksnio. Juose padarykite daug skylučių. Dujos, veikiamos slėgio, leisis žemyn, o kildamos aukštyn dujų burbuliukai maišys talpykloje esančią biomasę.

Jei nenorite užsiimti betoninio bunkerio statyba, galite nusipirkti paruoštą PVC talpyklą. Šilumai išlaikyti ją reikia aplink apklijuoti šilumos izoliacijos sluoksniu – polistireniniu putplasčiu. Duobės dugnas išliejamas armuotu betonu 10 cm storiu. Polivinilchlorido rezervuarus leidžiama naudoti, jei reaktoriaus tūris neviršija 3 m³.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Kaip pasidaryti paprasčiausią įrenginį iš įprastos statinės, sužinosite pažiūrėję vaizdo įrašą:

Kaip vyksta požeminio reaktoriaus statyba, galite pažiūrėti vaizdo siužete:

Kaip vyksta mėšlo pakrovimas į požeminį įrenginį parodyta kitame vaizdo įraše:

Biodujų gavimo iš mėšlo įrenginys leis žymiai sutaupyti mokant už šilumą ir elektrą, ir panaudoti geram tikslui organinę medžiagą, kurios gausu kiekviename ūkyje. Prieš pradedant statybas, būtina viską kruopščiai apskaičiuoti ir paruošti.

Paprasčiausią reaktorių galima pasidaryti per kelias dienas savo rankomis, naudojant turimas priemones. Jei ūkis stambus, geriausia nusipirkti paruoštą įrenginį arba kreiptis į specialistus.

Jei susipažinus su pateikta informacija jums kilo klausimų ar turite pasiūlymų, kuriais norėtumėte pasidalinti su svetainės lankytojais, prašome palikti komentarus žemiau esančiame bloke.