Biogaasi tootmine sõnnikust: aluspõhimõtete ja tootmisseadme ülevaade

Talumajapidamised seisavad igal aastal silmitsi sõnniku utiliseerimise probleemiga. Märkimisväärsed summad, mis kuluvad selle äraveo ja matmise korraldamiseks, lähevad tühja. Kuid on võimalus mitte ainult oma raha säästa, vaid ka panna see looduslik toode enda hüvanguks toimima.

Hoolikad peremehed on juba ammu praktikas rakendanud öotehnoloogiat, mis võimaldab sõnnikust biogaasi toota ja tulemust kütusena kasutada.

Seetõttu räägime meie materjalis biogaasi tootmise tehnoloogiast ja samuti sellest, kuidas ehitada bioenergiaseadet.

Biotehnoloogiate kasutamise eelised

Tehnoloogia biokütuse tootmiseks erinevatest looduslikest allikatest ei ole uus. Uuringud selles valdkonnas algasid juba 18. sajandi lõpus ja arenesid edukalt 19. sajandil. Nõukogude Liidus loodi esimene bioenergiaseade eelmise sajandi neljakümnendatel aastatel.

Biotehnoloogiaid on paljudes riikides juba ammu kasutatud, kuid just tänapäeval omandavad need erilise tähtsuse. Planeedi ökoloogilise olukorra halvenemise ja energiakandjate kõrgete hindade tõttu pööravad paljud pilgud alternatiivsete energia- ja soojusallikate poole.

Sõnniku biogaasiks ümbertöötlemise tehnoloogia võimaldab vähendada kahjulike metaaniheitmete hulka atmosfääri ning saada täiendava soojusenergia allika.

Kahtlemata on sõnnik väga väärtuslik väetis ja kui talus on kaks lehma, ei teki selle kasutamisega probleeme. Hoopis teine lugu on suure ja keskmise karjaga farmide puhul, kus aastas tekib tonne lehkavat ja mädanevat bioloogilist materjali.

Selleks et sõnnik muutuks kvaliteetseks väetiseks, on vaja kindla temperatuurirežiimiga alasid, mis toob kaasa lisakulusid. Seetõttu ladustavad paljud farmerid selle, kus võimalik, ning veavad seejärel põldudele.

Sõltuvalt ööpäevas tekkiva tooraine mahust tuleks valida seadme mõõtmed ja automatiseerituse aste.

Kui säilitustingimusi ei järgita, lendub sõnnikust kuni 40% lämmastikust ja põhiosa fosforist, mis halvendab oluliselt selle kvaliteedinäitajaid. Lisaks eraldub atmosfääri metaan, mis avaldab negatiivset mõju planeedi ökoloogilisele olukorrale.

Kaasaegsed biotehnoloogiad võimaldavad mitte ainult neutraliseerida metaani kahjulikku mõju ökoloogilisele olukorrale, vaid ka panna seda teenima inimese hüvanguks, saades sealjuures märkimisväärset majanduslikku kasu. Selle tulemusena sõnniku töötlemisel tekib biogaas, millest saab seejärel tuhandeid kW energiat, ning tootmisjäätmed on väga väärtuslik anaeroobne väetis.

Gaasi tekkimise mehhanism orgaanilisest toorainest

Biogaas on lenduv aine ilma värvuse ja igasuguse lõhnata, mis sisaldab kuni 70% metaani. Oma kvaliteedinäitajate poolest sarnaneb see traditsioonilise kütuseliigiga – maagaasiga. Seda iseloomustab hea kütteväärtus; 1 m³ biogaasi eraldab sama palju soojust, kui saadakse pooleteise kilogrammi kivisöe põletamisel.

Biogaasi moodustumist võlgeme me anaeroobsetele bakteritele, kes aktiivselt töötavad orgaanilise tooraine lagundamise nimel, milleks kasutatakse põllumajandusloomade sõnnikut, lindude väljaheiteid ja mis tahes taimede jäätmeid.

Biogaasi iseseisval tootmisel võib kasutada lindude väljaheiteid ning väikeste ja suurte koduloomade elujääke. Toorainet võib kasutada puhtal kujul või seguna, mis sisaldab rohtu, lehti, vana paberit.

Protsessi aktiveerimiseks tuleb luua soodsad tingimused bakterite elutegevuseks. Need peavad sarnanema nendega, milles mikroorganismid arenevad looduslikus reservuaaris – loomade maos, kus on soe ja puudub hapnik.

Tegelikult ongi need kaks peamist tingimust, mis soodustavad mädaneva sõnnikumassi imelist muutumist keskkonnasõbralikuks kütuseks ja väärtuslikeks väetisteks.

Biogaasi tootmiseks on vaja hermeetilist reaktorit ilma õhu juurdepääsuta, kus toimub sõnniku käärimisprotsess ja selle lagunemine koostisosadeks:

• metaan (kuni 70%);
• süsihappegaas (umbes 30%);
• muud gaasilised ained (1-2%).

Tekkinud gaasid tõusevad mahuti ülaossa, kust need seejärel välja pumbatakse, ja põhja settib jääkprodukt – kõrgekvaliteetne orgaaniline väetis, mis on töötlemise tulemusena säilitanud kõik sõnnikus sisalduvad väärtuslikud ained – lämmastik ja fosfor – ning kaotanud olulise osa patogeensetest mikroorganismidest.

Biogaasi tootmise reaktor peab olema täiesti hermeetilise konstruktsiooniga, milles puudub hapnik, vastasel juhul toimub sõnniku lagunemisprotsess äärmiselt aeglaselt.

Teine oluline tingimus sõnniku tõhusaks lagunemiseks ja biogaasi tekkeks on temperatuurirežiimi järgimine. Bakterid, mis osalevad protsessis, aktiveeruvad temperatuuril alates +30 kraadist.

Pealegi sisaldab sõnnik kahte liiki baktereid:

• Mesofiilsed. Nende elutegevus toimub temperatuuril +30 – +40 kraadi;
• Termofiilsed. Nende paljunemiseks on vaja säilitada temperatuurirežiim +50 (+60) kraadi.

Tooraine töötlemise aeg esimest tüüpi seadmetes sõltub segu koostisest ning on 12–30 ööpäeva. Seejuures 1 liiter kasulikku reaktiivpinda annab 2 liitrit biokütust. Teist tüüpi seadmete kasutamisel väheneb lõpptoote tootmisaeg kolme päevani ning biogaasi kogus suureneb 4,5 liitrini.

Termofiilsete seadmete tõhusus on palja silmaga nähtav, kuid ka nende hoolduskulu on väga kõrge, seetõttu tuleb enne ühe või teise biogaasi tootmismeetodi valikut kõike väga hoolikalt läbi arvutada.

Vaatamata sellele, et termofiilsete seadmete tõhusus on kümneid kordi suurem, kasutatakse neid palju harvem, kuna kõrgete temperatuuride hoidmine reaktoris on seotud suurte kuludega.

Mesofiilset tüüpi seadmete hooldus ja korrashoid on odavam, seepärast kasutab enamik talusid biogaasi tootmiseks just neid.

Biogaas jääb energiapotentsiaali kriteeriumite poolest tavalisele gaaskütusele vähe alla. Kuid selle koostises on väävelhappeaurud, mille olemasolu tuleb seadme ehitamiseks materjalide valimisel arvesse võtta.

Biogaasi kasutamise efektiivsuse arvutused

Kõiki alternatiivse biokütuse kasutamise eeliseid aitavad hinnata lihtsad arvutused. Üks 500 kg kaaluv lehm toodab ööpäevas umbes 35–40 kg sõnnikut. Sellest kogusest piisab umbes 1,5 m³ biogaasi saamiseks, millest omakorda on võimalik toota 3 kWh elektrienergiat.

Tabeli andmeid kasutades on lihtne välja arvutada, mitu m³ biogaasi on võimalik saada vastavalt talus olevale loomakarjale.

Biokütuse tootmiseks saab kasutada nii ühte liiki orgaanilist toorainet kui ka mitme komponendi segusid, mille niiskusesisaldus on 85–90%. Oluline on, et need ei sisaldaks võõraid keemilisi lisandeid, mis mõjutavad töötlemisprotsessi negatiivselt.

Kõige lihtsama segu retsepti mõtles juba 2000. aastal välja üks vene mees Lipetski oblastist, kes ehitas oma kätega kõige lihtsama seadme biogaasi tootmiseks. Ta segas 1500 kg lehmasõnnikut 3500 kg erinevate taimede jäätmetega, lisas vett (umbes 65% kõigi koostisosade kaalust) ja soojendas segu 35 kraadini.

Kahe nädala pärast on tasuta kütus valmis. See väike seade tootis 40 m³ gaasi päevas, mis oli täiesti piisav maja ja majandushoonete kütmiseks poole aasta jooksul.

Biokütuse tootmise seadmete variandid

Pärast arvutuste tegemist tuleb otsustada, kuidas valmistada seade, et saada biogaasi vastavalt oma majapidamise vajadustele. Kui kariloomade arv on väike, sobib kõige lihtsam variant, mida on lihtne ise olemasolevatest vahenditest valmistada.

Suurtel põllumajandusettevõtetel, millel on pidev suure koguse toormaterjali allikas, on otstarbekas ehitada tööstuslik automatiseeritud biogaasisüsteem. Sel juhul ei saa tõenäoliselt ilma spetsialistide kaasamiseta, kes töötavad välja projekti ja paigaldavad seadme professionaalsel tasandil.

Skeemil on selgelt näidatud, kuidas töötab tööstuslik automatiseeritud biogaasi tootmise kompleks. Sellises ulatuses ehitust saab korraldada mitmele läheduses asuvale põllumajandusettevõttele korraga.

Tänapäeval on kümneid ettevõtteid, mis võivad pakkuda palju variante: alates valmislahendustest kuni individuaalse projekti väljatöötamiseni. Ehituse odavamaks muutmiseks võib teha koostööd naabertaludega (kui need läheduses on) ja ehitada üks ühine biogaasi tootmise seade.

Tuleb arvestada, et isegi väikese seadme ehitamiseks on vaja vormistada asjakohased dokumendid, koostada tehnoloogiline skeem, seadmete ja ventilatsiooni paigutuse plaan (kui seadmed paigaldatakse siseruumi), läbida kooskõlastusmenetlused Tervisekaitseinspektsiooni, tuletõrje- ja gaasiinspektsiooniga.

Väikese eratalu vajaduste katmiseks mõeldud gaasitootmise minitehast saab ise valmistada, lähtudes tööstuslikus mastaabis toodetavate seadmete konstruktsioonist ja spetsiifikast.

Sõnniku ja taimse orgaanika biogaasiks töötlemise seadmete konstruktsioonid ei ole keerulised. Tööstuse poolt toodetud originaal sobib hästi oma minitehase ehitamise šablooniks.

Iseseisvatel meistritel, kes on otsustanud oma seadme ehitamisega tegeleda, tuleb varuda veemahutit, vee- või kanalisatsiooni plasttorusid, nurkade ühendusi, tihendeid ja seadmes toodetud gaasi hoidmiseks ballooni.

Biogaasisüsteemi eripärad

Täisväärtuslik biogaasiseade on keeruline süsteem, mis koosneb:

1. Bioreaktorist, kus toimub sõnniku lagunemine;
2. Automatiseeritud orgaaniliste jäätmete etteandesüsteemist;
3. Biomassi segamise seadmest;
4. Optimaalse temperatuurirežiimi säilitamise seadmetest;
5. Gaasimahutist – gaasi hoidmise mahutist;
6. Tahkete jäätmete vastuvõtjast.

Kõik ülalloetletud elemendid paigaldatakse automaatrežiimis töötavatesse tööstusseadmetesse. Kodumajapidamises kasutatavad reaktorid on tavaliselt lihtsama konstruktsiooniga.

Skeemil on esitatud automatiseeritud biogaasisüsteemi põhikomponendid. Reaktori maht sõltub orgaanilise tooraine ööpäevasest sissetulekust. Seadme täisväärtuslikuks toimimiseks peab reaktor olema täidetud kahe kolmandikuni mahust.

Seadme tööpõhimõte

Süsteemi põhielement on bioreaktor. Sellel on mitu teostusvarianti, peamine on tagada konstruktsiooni tihedus ja välistada hapniku sisenemine. See võib olla valmistatud erineva kujuga (sagedamini silindrilise) metallmahutina, mis paikneb pinnal. Sageli kasutatakse selleks otstarbeks 50-kuupmeetriseid tühje kütusepaake.

Valmis kokkupandavaid mahuteid on võimalik osta. Nende eelis on kiire lahtivõtmise võimalus ja vajadusel teisaldamine teise kohta. Tööstuslikke pinnaseadmeid on otstarbekas kasutada suurtes majapidamistes, kus on pidev suures koguses orgaanilise toorme juurdevool.

Väikeste majapidamiste jaoks sobib paremini reservuaari maa-alune paigutus. Maa-alune punker ehitatakse tellistest või betoonist. Valmis mahuteid, näiteks metallist, roostevabast terasest või PVC-st tünnid, võib maasse matta. Samuti on võimalik nende pinnale paigutamine õues või spetsiaalselt selleks ettenähtud ruumis, kus on hea ventilatsioon.

Biogaasi tootmise seadme valmistamiseks võib osta valmis PVC mahuteid ja paigaldada need ruumi, mis on varustatud ventilatsioonisüsteemiga.

Sõltumata sellest, kus ja kuidas reaktor paikneb, on see varustatud sõnniku laadimise punkriga. Enne toorme laadimist tuleb see eeltöödelda: see purustatakse fraktsioonideks, mis ei ületa 0,7 mm, ja lahjendatakse veega. Ideaalis peaks substraadi niiskus olema umbes 90%.

Automatiseeritud tööstuslikud seadmed on varustatud toorme etteandesüsteemiga, mis hõlmab vastuvõtjat, kus segu viiakse vajaliku niiskuseni, vee etteande torustikku ja pumbaseadet massi ülepumpamiseks bioreaktorisse.

Kodustes seadmetes kasutatakse substraadi ettevalmistamiseks eraldi mahuteid, kus jäätmed purustatakse ja segatakse veega. Seejärel laaditakse mass vastuvõtulahtrisse. Maa all asuvates reaktorites tuuakse substraadi vastuvõtupunker välja, ettevalmistatud segu voolab isevoolu teel torustiku kaudu käärituskambrisse.

Kui reaktor asub maapinnal või ruumis, võivad sisselasketoru koos vastuvõtuseadmega paikneda mahuti alumises külgmises osas. Samuti on võimalik toru viia ülemisse ossa ja panna selle kaelale laiend. Sellisel juhul tuleb biomassi pumbaga ette anda.

Bioreaktoris tuleb ette näha ka väljalaskeava, mis tehakse praktiliselt mahuti põhjas, vastasküljel sisendpunkrist. Maa-aluse paigutuse korral paigaldatakse väljalasketoru kaldus ülespoole ja see viib jäätmete vastuvõtjasse, mis meenutab ristkülikukujulist kasti. Selle ülemine serv peab asuma allpool sisendava taset.

Sisse- ja väljalasketorud paiknevad kaldus ülespoole mahuti eri külgedel, samal ajal peab kompenseeriv mahuti, kuhu jäätmed sisenevad, olema allpool vastuvõtupunktrit.

Protsess kulgeb järgmiselt: sisendpunker võtab vastu uue partii substraati, mis voolab reaktorisse; samal ajal tõstetakse toru kaudu sama kogus töödeldud massi jäätmete vastuvõtjasse, kust see hiljem välja kühveldatakse ja kasutatakse kvaliteetse bioväetisena.

Biogaasi säilitatakse gaasihoidlas. Enamasti asub see otse reaktori katusel ning on kupli- või koonusekujuline. See on valmistatud katuseplekist ja korrosiooni vältimiseks värvitakse see mitme õlivärvi kihiga.

Tööstuslikes seadmetes, mis on mõeldud suure gaasikoguse tootmiseks, teostatakse gaasihoidla sageli eraldiseisva mahutina, mis on reaktoriga ühendatud torustikuga.

Käärimisel saadud gaas ei sobi kasutamiseks, kuna see sisaldab suures koguses veeauru ja sellisel kujul see ei põle. Vee eraldamiseks juhitakse gaas läbi hüdrotõkke. Selleks juhitakse gaasihoidlast toru, mille kaudu biogaas suunatakse veega täidetud mahutisse, ja sealt edasi plast- või metalltoru kaudu tarbijateni.

Maa-aluse seadme skeem. Sisse- ja väljalaskeavad peavad asuma mahuti vastaskülgedel. Reaktori kohal asub veetõke, mille kaudu juhitakse saadud gaas kuivatamiseks.

Mõnel juhul kasutatakse gaasi hoidmiseks polüvinüülkloriidist valmistatud spetsiaalseid gaasihoidlakotte. Kotid asetatakse seadme kõrvale ja täidetakse järk-järgult gaasiga. Täitumise edenedes elastne materjal paisub ja kotimaht suureneb, võimaldades vajadusel ajutiselt hoida suuremat kogust lõpptoodet.

Bioreaktori efektiivse töö tingimused

Seadme tõhusaks tööks ja biogaasi intensiivseks eraldamiseks on vajalik orgaanilise substraadi ühtlane käärimine. Segu peab olema pidevas liikumises. Vastasel juhul tekib sellele koorik, lagunemine aeglustub ja lõpuks saadakse gaasi vähem kui algselt arvestatud.

Biomassi aktiivse segamise tagamiseks paigaldatakse tüüpreaktori üla- või külgossa elektriajamiga sukeldatavad või kaldsegistid. Käsitööseadmetes toimub segamine mehaaniliselt, kasutades seadet, mis meenutab kodumikserit. Seda saab käsitsi juhtida või varustada elektriajamiga.

Vertikaalse paigutusega reaktori korral tuuakse segisti käepide seadme ülaossa. Kui mahuti on paigaldatud horisontaalselt, asub ka kruvisegisti horisontaaltasandil ja käepide on bioreaktori küljel.

Üks olulisemaid tingimusi biogaasi tootmiseks on vajaliku temperatuurirežiimi hoidmine reaktoris. Kütmist saab teostada mitmel viisil. Statsionaarsetes seadmetes kasutatakse automaatseid kütmissüsteeme, mis lülituvad tööle temperatuuri langedes alla etteantud taseme ja lülituvad välja vajaliku temperatuurirežiimi saavutamisel.

Kütmiseks võib kasutada gaasikatlaid, teostada otsest kütmist elektriliste kütteseadmetega või paigaldada mahuti põhja kütteelement.

Soojuskadude vähendamiseks on soovitatav ehitada reaktori ümber väike raam klaasvilla kihiga või katta seade soojusisolatsiooniga. Heade soojusisolatsiooniomadustega on vahtpolüstürool ja teised selle liigid.

Biomassi küttestisteemi korraldamiseks võib paigaldada torujuhtme majaküttest, mida toidab reaktor.

Vajaliku mahu määramine

Reaktori maht määratakse lähtudes talus toodetavast ööpäevasest sõnnikukogusest. Samuti tuleb arvesse võtta toorme tüüpi, temperatuurirežiimi ja fermentatsiooniaega. Et seade korralikult töötaks, täidetakse mahuti 85-90% ulatuses, vähemalt 10% peab jääma vabaks gaasi väljapääsuks.

Orgaanilise aine lagunemine mesofiilses seadmes keskmisel temperatuuril 35 kraadi kestab alates 12 päevast, seejärel eemaldatakse fermenteerunud jäägid ja reaktor täidetakse uue substraadiga. Kuna enne reaktorisse saatmist lahjendatakse jäätmeid veega 90%-ni, tuleb vedeliku kogust arvestada ka päevase koormuse määramisel.

Toodud näitajatest lähtudes võrdub reaktori maht päevase ettevalmistatud substraadi (sõnnik ja vesi) kogusega, korrutatuna 12-ga (biomassi lagunemiseks vajalik aeg) ja suurendatuna 10% võrra (mahuti vaba maht).

Maa-aluse rajatise ehitamine

Nüüd räägime kõige lihtsamast seadmest, mis võimaldab saada biogaasi kodus võimalikult väikeste kuludega. Vaatleme maa-aluse süsteemi ehitamist. Selle valmistamiseks tuleb kaevata auk, selle põhi ja seinad valatakse tugevdatud keraamsavitibetooniga.

Kambri vastaskülgedele juhitakse sisse- ja väljalaskeavad, kuhu paigaldatakse kaldu torud substraadi sisseandmiseks ja töödeldud massi väljapumpamiseks.

Väljalasketoru läbimõõduga umbes 7 cm peab asuma praktiliselt punkri põhja lähedal, selle teine ots paigaldatakse ristkülikukujulisse kompenseerivasse mahutisse, kuhu jäätmed välja pumbatakse. Substraadi sisseandmise torustik paikneb umbes 50 cm kaugusel põhjast ja selle läbimõõt on 25-35 cm. Toru ülemine osa suubub toorme vastuvõtu sektsiooni.

Reaktor peab olema täielikult hermeetiline. Õhu sattumise vältimiseks tuleb mahuti katta bituumenhüdroisolatsiooni kihiga.

Bunkeri ülaosa on gaasihoidla, mis on kuplitaolise või koonilise kujuga. See on valmistatud metalllehtedest või katuseraudest. Konstruktsiooni võib ka lõpetada telliskivimüüriga, mis seejärel kaetakse terasvõrguga ja krohvitakse. Gaasihoidla peale tuleb teha hermeetiline luuk, viia välja gaasitoru, mis läbib hüdrotõket, ja paigaldada gaasirõhu vabastusklapp.

Substraadi segamiseks võib paigaldise varustada drenaažisüsteemiga, mis toimib barbotaaži põhimõttel. Selleks kinnitage konstruktsiooni sees vertikaalselt plasttorud nii, et nende ülemine serv oleks substraadikihist kõrgemal. Tehke neisse palju auke. Gaas rõhu all liigub alla, ja üles tõustes segavad gaasimullid mahutis olevat biomassi.

Kui te ei soovi tegeleda betoonbunkeri ehitamisega, võite osta valmis PVC mahuti. Soojuse säilitamiseks tuleb see ümbritseda soojustuskihiga – vahtpolüstürooliga. Süvendi põhi valatakse raudbetooniga 10 cm kihina. Polüvinüülkloriidist mahuteid võib kasutada, kui reaktori maht ei ületa 3 m3.

Järeldused ja kasulik video teemal

Kuidas teha kõige lihtsamat paigaldist tavalisest tünnist, saate teada, kui vaatate videot:

Kuidas toimub maa-aluse reaktori ehitamine, saate vaadata videolõigust:

Kuidas toimub sõnniku laadimine maa-alusesse paigaldisse, on näidatud järgmises videos:

Sõnnikust biogaasi tootmise paigaldis võimaldab oluliselt kokku hoida kütte- ja elektrienergia kuludelt ning suunata heategevuseks orgaanilist materjali, mida on igas talus ülejäägina. Enne ehituse alustamist tuleb kõik hoolikalt läbi arvutada ja ette valmistada.

Lihtsaima reaktori saab teha mõne päevaga oma kätega, kasutades käepärast olevaid vahendeid. Kui talund on suur, siis on parem osta valmis paigaldis või pöörduda spetsialistide poole.

Kui teil tekkis esitatud teabega tutvumisel küsimusi või on ettepanekuid, mida soovite saidi külastajatega jagada, palun jätke kommentaarid allpool asuvasse plokki.