Ako získať bioplyn z hnoja: prehľad základných princípov a zariadenia na výrobu

Poľnohospodárske podniky sa každoročne stretávajú s problémom likvidácie hnoja. Značné prostriedky, ktoré sú potrebné na organizáciu jeho odvozu a zahrabávania, vyjdú nazmar. Existuje však spôsob, ktorý umožňuje nielen ušetriť peniaze, ale aj prinútiť tento prírodný produkt slúžiť na úžitok.

Starostliví hospodári už dávno uplatňujú v praxi ekotechnológiu, ktorá umožňuje získať bioplyn z hnoja a využiť výsledok ako palivo.

Preto sa v našom materiáli budeme venovať technológii získavania bioplynu a tiež povieme, ako postaviť bioenergetické zariadenie.

Výhody využívania biotechnológií

Technológia získavania biopaliva z rôznych prírodných zdrojov nie je nová. Výskum v tejto oblasti sa začal už koncom 18. storočia a úspešne sa rozvíjal v 19. storočí. V Sovietskom zväze bolo prvé bioenergetické zariadenie vytvorené v štyridsiatych rokoch minulého storočia.

Biotechnológie sa dlho uplatňujú v mnohých krajinách, ale práve dnes nadobúdajú osobitný význam. V dôsledku zhoršovania ekologickej situácie na planéte a vysokej ceny energetických nosičov mnohí upierajú svoj zrak k alternatívnym zdrojom energie a tepla.

Technológia spracovania hnoja na bioplyn umožňuje znížiť množstvo škodlivých emisií metánu do ovzdušia a získať dodatočný zdroj tepelnej energie.

Bezpochyby je hnoj veľmi cenným hnojivom a ak sú v hospodárstve dve kravy, problémy s jeho použitím nevznikajú. Iná vec je, keď ide o farmárske hospodárstva s veľkým a stredným stavom dobytka, kde sa ročne vytvárajú tony páchnuceho a hnijúceho biologického materiálu.

Aby sa hnoj premenil na kvalitné hnojivo, sú potrebné plochy s určitým teplotným režimom, a to sú zbytočné výdavky. Preto ho mnohí farmári skladujú, kde sa dá, a potom ho vyvážajú na polia.

V závislosti od objemu suroviny, ktorá vzniká za deň, treba voliť rozmery zariadenia a stupeň jeho automatizácie.

Pri nedodržaní podmienok skladovania sa z hnoja vyprchá až 40 % dusíka a väčšina fosforu, čo výrazne zhoršuje jeho kvalitatívne ukazovatele. Okrem toho sa do ovzdušia uvoľňuje metán, ktorý má negatívny vplyv na ekologickú situáciu planéty.

Moderné biotechnológie umožňujú nielen neutralizovať škodlivý vplyv metánu na ekologickú situáciu, ale aj prinútiť ho slúžiť v prospech človeka, pričom prinášajú značný ekonomický úžitok. V dôsledku spracovania hnoja vzniká bioplyn, z ktorého potom možno získať tisíce kWh energie, a produkčné odpady predstavujú veľmi cenné anaeróbne hnojivo.

Mechanizmus tvorby plynu z organických surovín

Bioplyn je prchavá látka bez farby a akéhokoľvek zápachu, ktorá obsahuje až 70 % metánu. Svojimi kvalitatívnymi ukazovateľmi sa približuje k tradičnému druhu paliva – zemnému plynu. Vyznačuje sa dobrou výhrevnosťou, 1 m³ bioplynu uvoľní toľko tepla, koľko sa získa pri spaľovaní jeden a pol kilogramu uhlia.

Za vznik bioplynu vďačíme anaeróbnym baktériám, ktoré aktívne pracujú na rozklade organickej suroviny, pričom ako surovina sa používa hnoj poľnohospodárskych zvierat, vtáčí trus, odpady akýchkoľvek rastlín.

Pri samostatnej výrobe bioplynu možno použiť vtáčí trus a produkty životnej činnosti malého a veľkého domáceho dobytka. Surovinu možno použiť v čistej forme aj vo forme zmesi s prídavkom trávy, lístia, starého papiera.

Na aktiváciu procesu je potrebné vytvoriť priaznivé podmienky pre činnosť baktérií. Mali by byť podobné tým, v ktorých sa mikroorganizmy vyvíjajú v prirodzenej nádrži – v žalúdku zvierat, kde je teplo a chýba kyslík.

V podstate ide o dve hlavné podmienky, ktoré prispievajú k zázračnej premene hnijúcej hnojovej hmoty na ekologicky čisté palivo a cenné hnojivá.

Na získanie bioplynu je potrebný hermeticky uzavretý reaktor bez prístupu vzduchu, v ktorom bude prebiehať proces kvasenia hnoja a jeho rozklad na zložky:

• metán (až 70 %);
• oxid uhličitý (približne 30 %);
• iné plynné látky (1 – 2 %).

Vzniknuté plyny stúpajú nahor k nádobe, odkiaľ sa potom odčerpávajú, a dole sa usadzuje zvyškový produkt – vysoko kvalitné organické hnojivo, ktoré si v dôsledku spracovania zachovalo všetky cenné látky obsiahnuté v hnoji – dusík a fosfor, a stratilo významnú časť patogénnych mikroorganizmov.

Reaktor na získavanie bioplynu musí mať úplne hermetickú konštrukciu, v ktorej chýba kyslík, inak bude proces rozkladu hnoja prebiehať veľmi pomaly.

Druhou dôležitou podmienkou pre efektívny rozklad hnoja a tvorbu bioplynu je dodržiavanie teplotného režimu. Baktérie, ktoré sa zúčastňujú procesu, sa aktivizujú pri teplote od +30 stupňov.

Navyše v hnoji sú obsiahnuté dva druhy baktérií:

• Mezofilné. Ich životná činnosť prebieha pri teplote +30 – +40 stupňov;
• Termofilné. Pre ich rozmnoženie je potrebné dodržať teplotný režim +50 (+60) stupňov.

Čas spracovania surovín v zariadeniach prvého typu závisí od zloženia zmesi a predstavuje 12 až 30 dní. Pritom 1 liter užitočnej plochy reaktora poskytuje 2 litre biopaliva. Pri použití zariadení druhého typu sa čas výroby konečného produktu skracuje na tri dni a množstvo bioplynu stúpa na 4,5 litra.

Účinnosť termofilných zariadení je viditeľná voľným okom, avšak aj cena ich údržby je veľmi vysoká, preto pred výberom toho či onoho spôsobu výroby bioplynu je potrebné všetko veľmi dôkladne prepočítať.

Napriek tomu, že účinnosť termofilných zariadení je desaťkrát vyššia, používajú sa oveľa zriedkavejšie, pretože udržiavanie vysokých teplôt v reaktore je spojené s veľkými nákladmi.

Obsluha a údržba zariadení mezofilného typu je lacnejšia, preto väčšina farmárskych fariem na výrobu bioplynu používa práve ich.

Bioplyn podľa kritérií energetického potenciálu len málo zaostáva za bežným plynovým palivom. V jeho zložení sú však sírové výpary, ktorých prítomnosť treba zohľadniť pri výbere materiálov na stavbu zariadenia.

Výpočty efektívnosti využitia bioplynu

Vyhodnotiť všetky výhody použitia alternatívneho biopaliva pomôžu jednoduché výpočty. Jedna krava s hmotnosťou 500 kg vyprodukuje denne približne 35-40 kg hnoja. Toto množstvo postačí na získanie približne 1.5 m³ bioplynu, z ktorého možno následne vyrobiť 3 kWh elektrickej energie.

Pomocou údajov z tabuľky je ľahké vypočítať, koľko m³ bioplynu možno získať na výstupe v súlade s existujúcim stavom dobytka na farmárskom hospodárstve.

Na výrobu biopaliva možno použiť ako jeden druh organickej suroviny, tak aj zmesi z niekoľkých zložiek s vlhkosťou 85-90%. Dôležité je, aby neobsahovali cudzie chemické prímesi, ktoré negatívne ovplyvňujú proces spracovania.

Najjednoduchší recept na zmes vymyslel už v roku 2000 jeden ruský muž z Lipeckej oblasti, ktorý si vlastnými rukami postavil najjednoduchšie zariadenie na výrobu bioplynu. Miešal 1500 kg kravského hnoja s 3500 kg odpadov rôznych rastlín, pridal vodu (približne 65% z hmotnosti všetkých ingrediencií) a zohrial zmes na 35 stupňov.

O dva týždne je bezplatné palivo pripravené. Toto malé zariadenie produkovalo 40 m³ plynu denne, čo úplne stačilo na vykurovanie domu a hospodárskych budov počas pol roka.

Možnosti zariadení na získavanie biopaliva

Po vykonaní výpočtov je potrebné rozhodnúť sa, ako vyrobiť zariadenie na získavanie bioplynu podľa potrieb svojho hospodárstva. Ak je stav dobytka malý, postačí najjednoduchší variant, ktorý nie je ťažké vyrobiť svojpomocne z dostupných prostriedkov.

Pre veľké farmárske hospodárstva, ktoré majú stály zdroj veľkého množstva surovín, je vhodné postaviť priemyselný automatizovaný bioplynový systém. V tomto prípade sa pravdepodobne nezaobídete bez zapojenia odborníkov, ktorí vypracujú projekt a namontujú zariadenie na profesionálnej úrovni.

Schéma názorne ukazuje, ako funguje priemyselný automatizovaný komplex na získavanie bioplynu. Výstavbu takého rozsahu možno zorganizovať hneď niekoľkým farmárskym hospodárstvam nachádzajúcim sa v blízkosti.

V súčasnosti existujú desiatky spoločností, ktoré môžu ponúknuť množstvo variantov: od hotových riešení až po vývoj individuálneho projektu. Na zlacnenie výstavby sa môžete spojiť so susednými hospodárstvami (ak také v blízkosti sú) a postaviť jedno zariadenie na získavanie bioplynu pre všetkých.

Treba vziať do úvahy, že na postavenie aj malého zariadenia je potrebné vybaviť príslušné dokumenty, vytvoriť technologickú schému, plán umiestnenia zariadenia a vetrania (ak je zariadenie inštalované v miestnosti), prejsť postupmi schvaľovania s hygienickou stanicou, požiarnou a plynárenskou inšpekciou.

Mini-továreň na výrobu plynu na pokrytie potrieb malého súkromného hospodárstva sa dá vyrobiť svojpomocne, pričom sa riadime konštrukciou a špecifikáciou zariadení vyrábaných v priemyselnom meradle.

Konštrukcie zariadení na spracovanie hnoja a rastlinnej organiky na bioplyn nie sú zložité. Priemyselne vyrobený originál úplne postačí ako šablóna na postavenie vlastnej mini-továrne.

Samostatní majstri, ktorí sa rozhodli postaviť vlastné zariadenie, si musia zaobstarať nádobu na vodu, vodovodné alebo kanalizačné plastové rúry, kolenné odbočky, tesnenia a fľašu na skladovanie plynu získaného v zariadení.

Osobitosti bioplynového systému

Plnohodnotné bioplynové zariadenie predstavuje zložitý systém pozostávajúci z:

1. Bioreaktora, v ktorom prebieha proces rozkladu hnoja;
2. Automatizovaného systému prísunu organického odpadu;
3. Zariadenia na miešanie biomasy;
4. Zariadenia na udržiavanie optimálneho teplotného režimu;
5. Plynojemu – nádrže na skladovanie plynu;
6. Prijímača spracovaných pevných odpadov.

Všetky vyššie uvedené prvky sa inštalujú do priemyselných zariadení pracujúcich v automatickom režime. Domáce reaktory majú spravidla jednoduchšiu konštrukciu.

Na schéme sú uvedené hlavné súčasti automatizovanej bioplynovej sústavy. Objem reaktora závisí od denného prísunu organickej suroviny. Pre plnohodnotné fungovanie zariadenia musí byť reaktor naplnený do dvoch tretín objemu.

Princíp fungovania zariadenia

Hlavným prvkom systému je bioreaktor. Existuje niekoľko variantov jeho prevedenia, hlavné je zabezpečiť tesnosť konštrukcie a vylúčiť vniknutie kyslíka. Môže byť vyhotovený ako kovová nádrž rôzneho tvaru (často valcového) umiestnená na povrchu. Často sa na tieto účely používajú prázdne palivové cisterny s objemom 50 metrov kubických.

Je možné zakúpiť hotové nádoby s rozoberateľnou konštrukciou. Ich výhodou je možnosť rýchleho rozobrania a v prípade potreby prepravy na iné miesto. Priemyselné nadzemné zariadenia je vhodné používať vo veľkých farmách, kde je neustály prísun veľkého množstva organického materiálu.

Pre malé hospodárstva je vhodnejšou možnosťou podzemné umiestnenie nádrže. Podzemný zásobník je postavený z tehál alebo betónu. Do zeme je možné zakopať hotové nádoby, napríklad sudy z kovu, nehrdzavejúcej ocele alebo PVC. Je možné aj ich nadzemné umiestnenie vonku alebo v špeciálne vyhradenej miestnosti s dobrým vetraním.

Na výrobu zariadenia na produkciu bioplynu je možné zakúpiť hotové nádoby z PVC a nainštalovať ich v miestnosti vybavenej ventilačným systémom.

Bez ohľadu na to, kde a ako je reaktor umiestnený, je vybavený zásobníkom na nakladanie hnoja. Pred naložením suroviny musí prejsť predbežnou úpravou: rozdrví sa na frakcie nie väčšie ako 0,7 mm a zriedi sa vodou. Ideálne by vlhkosť substrátu mala byť okolo 90%.

Automatizované zariadenia priemyselného typu sú vybavené systémom podávania suroviny, ktorý zahŕňa prijímač, v ktorom sa zmes upraví na potrebnú vlhkosť, potrubie na prívod vody a čerpaciu jednotku na prečerpávanie hmoty do bioreaktora.

V domácich zariadeniach sa na prípravu substrátu používajú samostatné nádoby, kde sa odpad drví a mieša s vodou. Potom sa hmota naloží do prijímacieho priestoru. V reaktoroch umiestnených pod zemou je zásobník na príjem substrátu vyvedený von, pripravená zmes samospádom potrubím vstupuje do fermentačnej komory.

Ak je reaktor umiestnený na zemi alebo v miestnosti, vstupná rúra s prijímacím zariadením môžu byť umiestnené v spodnej bočnej časti nádoby. Je tiež možné vyviesť rúru do hornej časti a na jej hrdlo nasadiť lievik. V tomto prípade bude potrebné biomasu podávať pomocou čerpadla.

V bioreaktore je tiež potrebné zabezpečiť výstupný otvor, ktorý sa robí prakticky na dne nádoby na opačnej strane od vstupného zásobníka. Pri podzemnom umiestnení je výstupná rúra inštalovaná šikmo nahor a vedie do prijímača odpadu, ktorý svojím tvarom pripomína obdĺžnikovú skrinku. Jeho horný okraj by mal byť nižšie ako úroveň vstupného otvoru.

Vstupné a výstupné rúry sú umiestnené šikmo nahor na rôznych stranách nádoby, pričom kompenzačná nádoba, do ktorej vstupuje odpad, by mala byť nižšie ako prijímací zásobník.

Proces prebieha nasledovne: vstupný zásobník prijíma novú dávku substrátu, ktorá steká do reaktora, súčasne rovnaké množstvo odpadovej hmoty je potrubím zdvíhané do prijímača odpadu, odkiaľ je neskôr vyberaná a používaná ako vysokokvalitné biohnojivo.

Skladovanie bioplynu sa uskutočňuje v plynojem. Najčastejšie sa nachádza priamo na streche reaktora a má tvar kupoly alebo kužeľa. Je vyrobený z plechu a potom, aby sa zabránilo korózii, je natretý niekoľkými vrstvami olejovej farby.

V priemyselných zariadeniach určených na veľké množstvo plynu sa plynojem často vyhotovuje ako samostatne stojaca nádrž spojená s reaktorom potrubím.

Plyn získaný kvasením nie je vhodný na použitie, pretože obsahuje veľké množstvo vodných pár a v takejto forme nebude horieť. Na jeho očistenie od frakcií vody sa plyn nechá prejsť cez vodný uzáver. Na tento účel je z plynojemu vyvedené potrubie, ktorým bioplyn vstupuje do nádoby s vodou a odtiaľ je plastovým alebo kovovým potrubím dodávaný spotrebiteľom.

Schéma zariadenia umiestneného pod zemou. Vstupný a výstupný otvor by mali byť na protiľahlých stranách nádoby. Nad reaktorom sa nachádza vodný uzáver, cez ktorý na sušenie prechádza získaný plyn.

V niektorých prípadoch sa na skladovanie plynu používajú špeciálne vaky-plynojemy vyrobené z polyvinylchloridu. Vaky sú umiestnené vedľa zariadenia a postupne sa plnia plynom. Ako sa plnia, elastický materiál sa nafukuje a objem vakov sa zväčšuje, čo v prípade potreby umožňuje dočasne uchovať väčšie množstvo konečného produktu.

Podmienky efektívnej prevádzky bioreaktora

Pre efektívnu prevádzku zariadenia a intenzívne uvoľňovanie bioplynu je potrebné rovnomerné kvasenie organického substrátu. Zmes musí byť v neustálom pohybe. V opačnom prípade sa na nej vytvorí kôra, proces rozkladu sa spomalí a v konečnom dôsledku sa získa menej plynu, ako bolo pôvodne plánované.

Na zabezpečenie aktívneho miešania biomasy sa v hornej alebo bočnej časti typického reaktora inštalujú ponorné alebo naklonené miešadlá vybavené elektrickým pohonom. V domácich zariadeniach sa miešanie vykonáva mechanicky pomocou zariadenia pripomínajúceho domáci mixér. Dá sa ovládať ručne alebo vybaviť elektrickým pohonom.

Pri vertikálnom umiestnení reaktora je rukoväť miešadla vyvedená do hornej časti zariadenia. Ak je nádoba umiestnená horizontálne, skrutka je tiež v horizontálnej rovine a rukoväť je na boku bioreaktora.

Jednou z najdôležitejších podmienok na získanie bioplynu je udržiavanie požadovanej teploty v reaktore. Vykurovanie sa môže uskutočňovať niekoľkými spôsobmi. V stacionárnych zariadeniach sa používajú automatizované systémy ohrevu, ktoré sa spúšťajú pri poklese teploty pod nastavenú úroveň a vypínajú sa po dosiahnutí požadovaného teplotného režimu.

Na vykurovanie je možné použiť plynové kotly, priamo ohrievať elektrickými vykurovacími zariadeniami alebo zabudovať do základne nádrže vykurovací prvok.

Na zníženie strát tepla sa odporúča okolo reaktora postaviť malý rám s vrstvou sklenej vaty alebo zakryť zariadenie tepelnou izoláciou. Dobré tepelnoizolačné vlastnosti má polystyrén a jeho ďalšie druhy.

Na vybavenie systému ohrevu biomasy je možné viesť potrubie z domového vykurovania, ktoré je napájané z reaktora.

Určenie potrebného objemu

Objem reaktora sa určuje na základe denného množstva hnoja produkovaného v hospodárstve. Taktiež je potrebné zohľadniť typ suroviny, teplotný režim a čas kvasenia. Aby zariadenie plnohodnotne fungovalo, nádrž sa plní na 85-90 % objemu, minimálne 10 % musí zostať voľných pre únik plynu.

Proces rozkladu organických látok v mezofilnom zariadení pri priemernej teplote 35 stupňov trvá od 12 dní, potom sa fermentované zvyšky odstránia a reaktor sa naplní novou dávkou substrátu. Keďže pred odoslaním do reaktora sa odpad riedi vodou na 90%, je potrebné pri určovaní dennej dávky zohľadniť aj množstvo kvapaliny.

Na základe uvedených ukazovateľov sa objem reaktora bude rovnať dennému množstvu pripraveného substrátu (hnoja s vodou) vynásobenému 12 (čas potrebný na rozklad biomasy) a zvýšenému o 10% (voľný objem nádrže).

Výstavba podzemnej stavby

Teraz si povieme o najjednoduchšom zariadení, ktoré umožňuje získať bioplyn v domácich podmienkach s najnižšími nákladmi. Pozrime sa na výstavbu podzemného systému. Na jeho výrobu je potrebné vykopať jamu, jej dno a steny sa zalejú vystuženým keramzitbetónom.

Na protiľahlých stranách komory sú vyvedené vstupný a výstupný otvor, do ktorých sú namontované šikmé rúry na prívod substrátu a odčerpávanie odpadovej hmoty.

Výstupná rúra s priemerom približne 7 cm by sa mala nachádzať prakticky pri samom dne zásobníka, jej druhý koniec je namontovaný do kompenzačnej nádrže obdĺžnikového tvaru, do ktorej sa budú odčerpávať odpady. Potrubie na prívod substrátu je umiestnené približne 50 cm od dna a má priemer 25-35 cm. Horná časť rúry vchádza do oddelenia na príjem suroviny.

Reaktor musí byť úplne utesnený. Aby sa vylúčila možnosť vniknutia vzduchu, nádobu je potrebné pokryť vrstvou asfaltovej hydroizolácie.

Horná časť zásobníka je plynojem kupolovitého alebo kužeľovitého tvaru. Vyrába sa z plechu alebo strešnej ocele. Konštrukciu je možné dokončiť aj tehlovým murivom, ktoré sa potom obije oceľovou sieťovinou a omietne. Na vrchu plynojemu je potrebné urobiť utesnený poklop, vyviesť plynové potrubie prechádzajúce cez vodný uzáver a nainštalovať ventil na uvoľnenie tlaku plynu.

Na miešanie substrátu je možné zariadenie vybaviť drenážnym systémom fungujúcim na princípe barbotáže. Za týmto účelom vertikálne upevnite plastové rúry vo vnútri konštrukcie tak, aby ich horný okraj bol nad vrstvou substrátu. Vyvŕtajte do nich množstvo otvorov. Plyn pod tlakom bude klesať nadol a pri stúpaní nahor budú bubliny plynu miešať biomasu nachádzajúcu sa v nádobe.

Ak si neželáte stavať betónový zásobník, môžete si kúpiť hotovú nádobu z PVC. Na udržanie tepla ju treba obložiť vrstvou tepelnej izolácie – polystyrénom. Dno jamy sa zaleje železobetónom v hrúbke 10 cm. Nádrže z polyvinylchloridu je možné použiť, ak objem reaktora nepresahuje 3 m³.

Závery a užitočné video k téme

Ako vyrobiť najjednoduchšie zariadenie z obyčajného suda, sa dozviete, ak si pozriete video:

Ako prebieha výstavba podzemného reaktora, si môžete pozrieť vo videu:

Ako prebieha nakladanie hnoja do podzemného zariadenia je zobrazené v nasledujúcom videu:

Zariadenie na získavanie bioplynu z hnoja umožní výrazne ušetriť na platbách za teplo a elektrinu a využiť na dobrý účel organický materiál, ktorý je v každej farmárskej usadlosti v nadbytku. Pred začatím výstavby je potrebné všetko dôkladne prepočítať a pripraviť.

Najjednoduchší reaktor je možné vyrobiť za niekoľko dní svojpomocne s použitím dostupných prostriedkov. Ak je hospodárstvo veľké, najlepšie je kúpiť hotové zariadenie alebo sa obrátiť na odborníkov.

Ak sa pri oboznamovaní s uvedenými informáciami vyskytli otázky alebo máte návrhy, ktoré by ste chceli zdieľať s návštevníkmi stránky, zanechajte prosím komentáre v bloku nižšie.