Kako pridobiti bioplin iz gnoja: pregled osnovnih principov in zgradbe proizvodne naprave

Kmetijska gospodarstva se letno srečujejo s problemom odstranjevanja gnoja. Za njegov odvoz in deponiranje so potrebna znatna sredstva. Obstaja pa tehnologija, ki omogoča ne le prihranke, temveč tudi koristno uporabo tega naravnega materiala.

Skrbni lastniki že dolgo uporabljajo ekotehnologijo, ki omogoča pridobivanje bioplina iz gnoja in njegovo uporabo kot gorivo.

Zato bomo v našem prispevku govorili o tehnologiji pridobivanja bioplina ter vam predstavili, kako zgraditi bioenergetsko napravo.

Prednosti uporabe biotehnologij

Tehnologija pridobivanja biogoriva iz različnih naravnih virov ni nova. Raziskave na tem področju so se začele že konec 18. stoletja in so se uspešno razvijale v 19. stoletju. V Sovjetski zvezi je bila prva bioenergetska naprava zgrajena v štiridesetih letih prejšnjega stoletja.

Biotehnologije se že dolgo uporabljajo v številnih državah, vendar prav danes pridobivajo poseben pomen. Zaradi poslabšanja ekoloških razmer na planetu in visokih stroškov energentov mnogi usmerjajo svoje poglede k alternativnim virom energije in toplote.

Tehnologija predelave gnoja v bioplin omogoča zmanjšanje količine škodljivih izpustov metana v ozračje in pridobivanje dodatnega vira toplotne energije.

Seveda je gnoj zelo dragoceno gnojilo in če sta v gospodarstvu dve kravi, z njegovo uporabo ni težav. Drugače pa je pri kmetijskih gospodarstvih z velikim in srednje velikim staležem, kjer letno nastane na tone smrdečega in gnijočega biološkega materiala.

Da bi gnoj postal kakovostno gnojilo, so potrebne površine z določenim temperaturnim režimom, to pa so dodatni stroški. Zato ga mnogi kmetje skladiščijo, kjer koli, nato pa odvažajo na polja.

Glede na dnevno količino nastale surovine je treba izbrati dimenzije naprave in stopnjo njene avtomatizacije.

Ob neupoštevanju pogojev shranjevanja iz gnoja uide do 40 % dušika in večina fosforja, kar znatno poslabša njegove kakovostne kazalnike. Poleg tega se v ozračje sprošča plin metan, ki negativno vpliva na ekološko stanje planeta.

Sodobne biotehnologije omogočajo ne le nevtralizacijo škodljivega vpliva metana na okolje, temveč tudi, da ga prisilimo, da služi človeku v dobro, pri čemer prinaša precejšnjo gospodarsko korist. Kot rezultat predelave gnoja nastane bioplin, iz katerega je nato mogoče pridobiti na tisoče kW energije, odpadki proizvodnje pa so zelo dragoceno anaerobno gnojilo.

Mehanizem nastajanja plina iz organskih surovin

Bioplin je hlapljiva snov brez barve in vonja, ki vsebuje do 70 % metana. Po svojih kakovostnih lastnostih se približuje tradicionalni vrsti goriva – zemeljskemu plinu. Odlikuje ga dobra kurilna vrednost; 1 m³ bioplina sprosti toliko toplote, kot jo dobimo pri zgorevanju kilograma in pol premoga.

Nastanek bioplina dolgujemo anaerobnim bakterijam, ki aktivno razgrajujejo organske surovine, kot so gnoj kmetijskih živali, ptičji iztrebki in odpadki vseh rastlin.

V samostojni proizvodnji bioplina se lahko uporabljajo ptičji iztrebki in odpadki majhne in velike domače živine. Surovina se lahko uporablja v čisti obliki ali v obliki mešanice, ki vključuje travo, listje, star papir.

Za aktivacijo procesa je treba ustvariti ugodne pogoje za delovanje bakterij. Ti morajo biti podobni tistim, v katerih se mikroorganizmi razvijajo v naravnem rezervoarju – v želodcu živali, kjer je toplo in brez kisika.

Pravzaprav sta to dva glavna pogoja, ki prispevata k čudežnemu preoblikovanju gnijoče gnojne mase v okolju prijazno gorivo in dragocena gnojila.

Za pridobivanje bioplina je potreben nepredušen reaktor brez dostopa zraka, kjer bo potekal proces fermentacije gnoja in njegove razgradnje na sestavine:

• metan (do 70 %);
• ogljikov dioksid (približno 30 %);
• druge plinaste snovi (1–2 %).

Nastali plini se dvigajo proti vrhu posode, od koder jih nato izčrpajo, na dno pa se usede preostali produkt – visokokakovostno organsko gnojilo, ki je po obdelavi ohranilo vse dragocene snovi, prisotne v gnoju – dušik in fosfor, ter izgubilo večji del patogenih mikroorganizmov.

Reaktor za pridobivanje bioplina mora imeti popolnoma nepredušno konstrukcijo, v kateri ni kisika, sicer bo proces razgradnje gnoja potekal izjemno počasi.

Drugo pomembno merilo za učinkovito razgradnjo gnoja in nastanek bioplina je upoštevanje temperaturnega režima. Bakterije, ki sodelujejo v procesu, se aktivirajo pri temperaturi od +30 stopinj.

Poleg tega gnoj vsebuje dve vrsti bakterij:

• mezofilni. Njihova življenjska aktivnost poteka pri temperaturi +30 – +40 stopinj;
• termofilni. Za njihovo razmnoževanje je treba upoštevati temperaturni režim +50 (+60) stopinj.

Čas predelave surovin v napravah prvega tipa je odvisen od sestave mešanice in znaša od 12 do 30 dni. Pri tem 1 liter koristne površine reaktorja da 2 litra biogoriva. Pri uporabi naprav drugega tipa se čas izdelave končnega produkta skrajša na tri dni, količina bioplina pa naraste na 4,5 litra.

Učinkovitost termofilnih naprav je očitna s prostim očesom, vendar so stroški njihovega vzdrževanja zelo visoki, zato je treba pred izbiro katerega koli načina pridobivanja bioplina vse zelo natančno preračunati.

Kljub temu, da je učinkovitost termofilnih naprav desetkrat večja, se uporabljajo veliko redkeje, ker je vzdrževanje visokih temperatur v reaktorju povezano z velikimi stroški.

Vzdrževanje in oskrba naprav mezofilnega tipa sta cenejša, zato večina kmetij za pridobivanje bioplina uporablja prav te.

Bioplin po merilih energetskega potenciala nekoliko zaostaja za običajnim plinskim gorivom. Vendar so v njegovi sestavi žveplove kisline hlapi, katerih prisotnost je treba upoštevati pri izbiri materialov za gradnjo naprave.

Izračuni učinkovitosti uporabe bioplina

Preprosti izračuni bodo pomagali oceniti vse prednosti uporabe alternativnega biogoriva. Ena krava, težka 500 kg, proizvede približno 35–40 kg gnoja na dan. Te količine zadostujejo za približno 1,5 m³ bioplina, iz katerega je nato mogoče proizvesti 3 kWh električne energije.

S pomočjo podatkov iz tabele je enostavno izračunati, koliko m³ bioplina je mogoče dobiti na izhodu glede na obstoječo živino na kmetiji.

Za pridobivanje biogoriva je mogoče uporabiti eno vrsto organskih surovin ali mešanice več komponent z vlažnostjo 85–90%. Pomembno je, da ne vsebujejo tujih kemičnih primesi, ki negativno vplivajo na proces predelave.

Najpreprostejši recept za mešanico si je leta 2000 izmislil neki Rus iz Lipecke oblasti, ki je z lastnimi rokami zgradil preprosto napravo za pridobivanje bioplina. Zmešal je 1500 kg kravjega gnoja s 3500 kg odpadkov različnih rastlin, dodal vodo (približno 65 % teže vseh sestavin) in segrel mešanico na 35 stopinj.

Čez dva tedna je brezplačno gorivo pripravljeno. Ta majhna naprava je proizvajala 40 m³ plina na dan, kar je popolnoma zadostovalo za ogrevanje hiše in gospodarskih poslopij v pol leta.

Različice naprav za pridobivanje biogoriva

Po opravljenih izračunih se je treba odločiti, kako izdelati napravo za pridobivanje bioplina v skladu s potrebami svojega gospodarstva. Če je živina majhna, bo primerna najpreprostejša različica, ki jo ni težko izdelati iz priročnih sredstev z lastnimi rokami.

Velikim kmetijam, ki imajo stalen vir velikih količin surovin, je smiselno zgraditi industrijski avtomatizirani bioplinski sistem. V tem primeru verjetno ne bo mogoče brez sodelovanja strokovnjakov, ki bodo izdelali projekt in montirali napravo na profesionalni ravni.

Shema jasno prikazuje, kako deluje industrijski avtomatizirani kompleks za pridobivanje bioplina. Gradnjo v takšnem obsegu lahko organizira več bližnjih kmetij.

Danes obstajajo desetine podjetij, ki lahko ponudijo številne možnosti: od že pripravljenih rešitev do razvoja individualnega projekta. Za znižanje stroškov gradnje se lahko povežete s sosednjimi kmetijami (če so v bližini) in skupaj zgradite eno napravo za pridobivanje bioplina.

Upoštevati je treba, da je za gradnjo tudi majhne naprave treba urediti ustrezne dokumente, izdelati tehnološko shemo, načrt postavitve opreme in prezračevanja (če je oprema nameščena v prostoru), ter opraviti postopke usklajevanja s sanitarno-epidemiološko službo, gasilsko in plinsko inšpekcijo.

Minitovarno za proizvodnjo plina za pokrivanje potreb majhnega zasebnega gospodarstva lahko izdelate sami, pri čemer se ravnate po konstrukciji in specifičnosti naprav, ki se proizvajajo v industrijskem obsegu.

Konstrukcije naprav za predelavo gnoja in rastlinskih organskih snovi v bioplin niso zapletene. Original, ki ga proizvaja industrija, je povsem primeren kot predloga za izdelavo lastne mini tovarne.

Samostojni mojstri, ki so se odločili za gradnjo lastne naprave, se morajo založiti z rezervoarjem za vodo, vodovodnimi ali kanalizacijskimi plastičnimi cevmi, kotnimi priključki, tesnili in jeklenko za shranjevanje plina, pridobljenega v napravi.

Posebnosti bioplinskega sistema

Popolna bioplinska naprava je zapleten sistem, ki ga sestavljajo:

1. bioreaktor, kjer poteka proces razgradnje gnoja;
2. avtomatiziran sistem za dovajanje organskih odpadkov;
3. naprava za mešanje biomase;
4. oprema za vzdrževanje optimalne temperature;
5. plinsko skladišče – posoda za shranjevanje plina;
6. sprejemnik za odpadne trdne odpadke.

Vsi zgoraj našteti elementi so nameščeni v industrijske naprave, ki delujejo v avtomatskem načinu. Gospodinjski reaktorji imajo praviloma bolj poenostavljeno konstrukcijo.

Na diagramu so prikazane glavne sestavine avtomatiziranega bioplinskega sistema. Prostornina reaktorja je odvisna od dnevnega vnosa organskih surovin. Za popolno delovanje naprave mora biti reaktor zapolnjen do dveh tretjin prostornine.

Načelo delovanja naprave

Glavni element sistema je bioreaktor. Obstaja več variant njegove izvedbe, glavno je zagotoviti tesnjenje konstrukcije in preprečiti vstop kisika. Lahko je izdelan v obliki kovinske posode različne oblike (pogosto valjaste), ki je nameščena na površini. Pogosto se za te namene uporabljajo prazne 50-kubične gorivne cisterne.

Lahko kupite že pripravljene posode z razstavljivo konstrukcijo. Njihova prednost je možnost hitrega razstavljanja in po potrebi prevoza na drugo mesto. Industrijske površinske naprave je smiselno uporabljati v velikih gospodarstvih, kjer je stalen pritok velike količine organskih surovin.

Za manjša posestva je primernejša možnost podzemne namestitve rezervoarja. Podzemni bunker je zgrajen iz opeke ali betona. V zemljo lahko zakopljete že pripravljene posode, na primer sode iz kovine, nerjavečega jekla ali PVC. Možna je tudi njihova površinska namestitev na prostem ali v posebej določenem prostoru z dobrim prezračevanjem.

Za izdelavo naprave za proizvodnjo bioplina lahko kupite že pripravljene posode iz PVC-ja in jih namestite v prostoru, opremljenem s prezračevalnim sistemom.

Ne glede na to, kje in kako je reaktor nameščen, je opremljen z bunkerjem za nalaganje gnoja. Preden naložimo surovino, mora iti skozi predhodno pripravo: zdrobi se na frakcije, manjše od 0,7 mm, in razredči z vodo. V idealnih pogojih naj bo vlažnost substrata približno 90 %.

Avtomatizirane naprave industrijskega tipa so opremljene s sistemom za dovajanje surovin, ki vključuje sprejemnik, v katerem se mešanica pripelje do potrebne vlažnosti, cevovod za dovod vode in črpalno napravo za prečrpavanje mase v bioreaktor.

V domačih napravah se za pripravo substrata uporabljajo ločene posode, kjer se odpadki zdrobijo in pomešajo z vodo. Nato se masa naloži v sprejemni prostor. V reaktorjih, nameščenih pod zemljo, se bunker za sprejem substrata izpelje na zunanjo stran, pripravljena mešanica pa po cevovodu samoteče vodi v komoro za fermentacijo.

Če je reaktor nameščen na tleh ali v prostoru, se lahko vstopna cev s sprejemno napravo nahaja v spodnjem stranskem delu posode. Možno je tudi cev speljati v zgornji del in na njen vrat namestiti razširitev. V tem primeru bo treba biomaso dovajati s pomočjo črpalke.

V bioreaktorju je treba predvideti tudi izhodno odprtino, ki jo naredijo praktično na dnu posode na nasprotni strani od vstopnega bunkerja. Pri podzemni namestitvi je izhodna cev nameščena poševno navzgor in vodi v sprejemnik za odpadke, ki po obliki spominja na pravokoten zaboj. Njegov zgornji rob mora biti nižje od nivoja vstopne odprtine.

Vstopna in izhodna cev se nahajata poševno navzgor na različnih straneh posode, pri čemer mora biti kompenzacijska posoda, v katero prihajajo odpadki, nižja od sprejemnega bunkerja.

Postopek poteka na naslednji način: vhodni lijak sprejme novo serijo substrata, ki odteče v reaktor, hkrati pa se enaka količina odpadne mase po cevi dvigne v sprejemnik za odpadke, od koder se nato črpa in uporablja kot visokokakovostno biognojilo.

Shranjevanje bioplina poteka v plinohramu. Najpogosteje se nahaja neposredno na strehi reaktorja in ima obliko kupole ali stožca. Izdelan je iz strešne pločevine, nato pa se, da bi preprečili korozijske procese, pobarva z več plastmi oljne barve.

V industrijskih napravah, namenjenih pridobivanju velikih količin plina, je plinohram pogosto izveden kot samostoječ rezervoar, povezan z reaktorjem s cevovodom.

Plin, pridobljen s fermentacijo, ni primeren za uporabo, saj vsebuje veliko vodne pare in v taki obliki ne bo gorel. Da bi ga očistili vodnih frakcij, plin spustijo skozi vodni zapornik. V ta namen iz plinohrama vodijo cev, po kateri bioplin prihaja v posodo z vodo, od tam pa po plastični ali kovinski cevi odhaja do porabnikov.

Shema podzemne naprave. Vstopna in izstopna odprtini morata biti na nasprotnih straneh posode. Nad reaktorjem je vodni zapornik, skozi katerega se za sušenje prepušča pridobljeni plin.

V nekaterih primerih se za shranjevanje plina uporabljajo posebne vreče-plinohrami, izdelane iz polivinilklorida. Vreče so nameščene poleg naprave in se postopoma polnijo s plinom. Ko se polnijo, se elastični material napihne in prostornina vreč se poveča, kar omogoča, da se po potrebi začasno shrani večja količina končnega proizvoda.

Pogoji za učinkovito delovanje bioreaktorja

Za učinkovito delovanje naprave in intenzivno sproščanje bioplina je potrebno enakomerno vrenje organskega substrata. Mešanica mora biti v stalnem gibanju. V nasprotnem primeru se na njej tvori skorja, proces razgradnje se upočasni, na koncu pa se pridobi manj plina, kot je bilo prvotno predvideno.

Da bi zagotovili aktivno mešanje biomase, se v zgornjem ali stranskem delu tipičnega reaktorja namestijo potopna ali nagnjena mešala, opremljena z električnim pogonom. V domačih napravah mešanje poteka mehansko s pomočjo naprave, ki spominja na gospodinjski mešalnik. Upravljamo ga lahko ročno ali ga opremimo z električnim pogonom.

Pri vertikalni postavitvi reaktorja je ročica mešala speljana v zgornji del naprave. Če je posoda nameščena vodoravno, je polž prav tako v vodoravni ravnini, ročaj pa se nahaja ob strani bioreaktorja.

Eden najpomembnejših pogojev za pridobivanje bioplina je vzdrževanje potrebnega temperaturnega režima v reaktorju. Ogrevanje lahko poteka na več načinov. V stacionarnih napravah se uporabljajo avtomatizirani ogrevalni sistemi, ki se vključijo, ko temperatura pade pod nastavljeno raven, in izklopijo, ko je dosežen potreben temperaturni režim.

Za ogrevanje lahko uporabite plinske kotle, izvajate neposredno ogrevanje z električnimi grelniki ali vgradite grelni element v dno posode.

Za zmanjšanje toplotnih izgub je priporočljivo okoli reaktorja zgraditi majhen okvir s plastjo steklene volne ali napravo pokriti s toplotno izolacijo. Dobre toplotnoizolacijske lastnosti ima ekspandirani polistiren in njegove druge različice.

Za ureditev ogrevalnega sistema biomase lahko napeljete cevovod iz hišnega ogrevanja, ki se napaja iz reaktorja.

Določitev potrebnega volumna

Volumen reaktorja se določi glede na dnevno količino gnoja, proizvedenega na kmetiji. Upoštevati je treba tudi vrsto surovine, temperaturni režim in čas fermentacije. Da naprava deluje polno, se posoda napolni na 85–90% prostornine, vsaj 10% pa mora ostati prostega za izhod plina.

Proces razgradnje organskih snovi v mezofilni napravi pri povprečni temperaturi 35 stopinj traja od 12 dni, nato se fermentirani ostanki odstranijo in reaktor napolni z novo porcijo substrata. Ker se odpadki pred pošiljanjem v reaktor razredčijo z vodo do 90%, je treba pri določanju dnevnega polnjenja upoštevati tudi količino tekočine.

Glede na navedene kazalnike bo prostornina reaktorja enaka dnevni količini pripravljenega substrata (gnoj z vodo), pomnoženi z 12 (čas, potreben za razgradnjo biomase) in povečani za 10% (prosta prostornina posode).

Gradnja podzemnega objekta

Zdaj se bomo pogovorili o najpreprostejši napravi, ki omogoča pridobivanje bioplina v domačih pogojih z najmanjšimi stroški. Oglejmo si gradnjo podzemnega sistema. Za izdelavo je treba izkopati jamo, njeno dno in stene pa zaliti z armiranim ekspandiranim glinenim betonom.

Na nasprotnih straneh komore sta izpeljana vhodna in izhodna odprtina, kamor se namestijo nagnjene cevi za dovod substrata in črpanje odpadne mase.

Izhodna cev s premerom približno 7 cm mora biti skoraj na dnu bunkerja, njen drugi konec pa se namesti v kompenzacijsko posodo pravokotne oblike, v katero se bodo črpali odpadki. Cevovod za dovod substrata se nahaja približno 50 cm od dna in ima premer 25–35 cm. Zgornji del cevi vstopa v prekat za sprejem surovine.

Reaktor mora biti popolnoma zatesnjen. Da bi preprečili vstop zraka, je treba posodo prekriti s plastjo bitumenske hidroizolacije.

Zgornji del bunkerja je plinohram, ki je kupolaste ali stožčaste oblike. Izdelan je iz kovinskih plošč ali strešnega železa. Konstrukcijo lahko zaključimo tudi z zidano konstrukcijo, ki se nato obloži z jekleno mrežo in omete. Na vrhu plinohrama je treba narediti zatesnjeno loputo, speljati plinsko cev skozi vodno zaporo in namestiti ventil za sprostitev tlaka plina.

Za mešanje substrata lahko napravo opremite z drenažnim sistemom, ki deluje po principu barbotiranja. V ta namen v notranjosti konstrukcije navpično pritrdite plastične cevi, tako da je njihov zgornji rob nad plastjo substrata. V njih naredite več odprtin. Plin pod tlakom se bo spuščal navzdol, med dvigovanjem pa bodo plinski mehurčki mešali biomaso v posodi.

Če ne želite graditi betonskega bunkerja, lahko kupite že pripravljeno posodo iz PVC. Za ohranjanje toplote jo je treba obložiti s plastjo toplotne izolacije – ekspandiranim polistirenom. Dno jame se zalije z armiranim betonom v sloju 10 cm. Posode iz polivinilklorida se sme uporabljati, če prostornina reaktorja ne presega 3 m3.

Zaključki in koristen video na to temo

Kako narediti najpreprostejšo napravo iz navadnega soda, boste izvedeli, če si ogledate video:

Kako poteka gradnja podzemnega reaktorja, si lahko ogledate v videoreportaži:

Kako poteka polnjenje gnoja v podzemno napravo, je prikazano v naslednjem posnetku:

Naprava za pridobivanje bioplina iz gnoja vam bo omogočila znatno prihraniti pri plačilu toplote in električne energije ter uporabiti organski material v dober namen, ki ga je v izobilju v vsaki kmetiji. Pred začetkom gradnje je treba vse natančno preračunati in pripraviti.

Najpreprostejši reaktor lahko naredite v nekaj dneh z lastnimi rokami, pri čemer uporabite priročna sredstva. Če je kmetija velika, je najbolje kupiti že pripravljeno napravo ali se obrniti na strokovnjake.

Če so se vam ob seznanitvi s predstavljenimi informacijami pojavila vprašanja ali imate predloge, ki jih želite deliti z obiskovalci spletnega mesta, vas prosimo, da pustite komentarje v spodnjem okvirju.