Z čeho lze bioplyn vyrábět? Bioplyn - co to je

07.10.2021 | Konstrukce

Složení bioplynu se liší podle toho, jak se získává a jaké suroviny se k němu používají. Nejstabilnější je bioplyn, který se vyrábí pomocí bioplynových stanic fermentací surovin za působení bakterií. Jako suroviny se používá organický odpad, stejně jako odpadky a rostlinný odpad. Na rozkladu surové hmoty se podílejí hydrolytické, kyselinotvorné a metanotvorné bakterie. V procesu rozkladu organických látek na tuky, cukry a aminokyseliny, které interagují s metanogenními bakteriemi, vzniká bioplyn.

Biologický plyn získaný v je směs plynů, mezi nimiž je největší procento metan, oxid uhličitý. Kromě těchto plynů je ve složení přítomen vodík, sirovodík a další. Bioplyn může být biometan nebo biovodík. Biometan je analog plynu přírodního původu. Jeho základem je metan. Procento každého plynu se liší.

Složky bioplynu jsou přibližně v těchto poměrech:

metan 40-70 procent;
Oxid uhličitý 30-60 procent;
Sirovodík 0-3 procenta;
vodík 0-1 procento;
Ostatní plyny 1-5 procent.

Kvalita bioplynu je přímo závislá na kvalitě a složení biomasy. Sacharidové složky surového substrátu produkují méně metanu než bílkoviny a tuky. Například kukuřice obsahuje hodně sacharidů, nelze z ní získat více než 53 procent metanu. Suroviny, které obsahují více tuku, dají vysoké procento metanu v bioplynu, čímž se zvyšuje jeho energetická hodnota. Nadbytek tuku však vede k inhibici procesu tvorby bioplynu až k jeho úplnému zastavení, proto je nutné složení suroviny pravidelně sledovat. 60% obsah metanu dělá z bioplynu cenné palivo. Metan je bezbarvý a bez zápachu, lehčí než vzduch a netoxický. Při jeho spalování vzniká vodní pára a oxid uhličitý. V jednostupňových bioplynových stanicích se rozklad surovin provádí v jednom fermentoru, proto je bioplyn směsí plynů. Dvoustupňová zařízení umožňují v první fázi odstraňovat nevýznamné plyny a ve druhé fázi získávat plyn s vysokým procentem metanu (více než sedmdesát procent).

Kromě metanu a oxidu uhličitého zahrnuje složení biologického plynu sirovodík, který má agresivní účinek na zařízení, láhve a hořáky. Agresivní je také chlór a fluor. Proto není poskytnuta technologie pro odstraňování sirovodíku a uhlovodíků obsahujících halogeny. Biologický plyn bez obsahu síry nemá prakticky žádný charakteristický zápach. A nepřítomnost uhlovodíků obsahujících chlór a fluor způsobuje, že plyn je méně agresivní. Pro dopravu bioplynu je vhodné jej stlačit nebo zkapalnit. Před zkapalněním nebo kompresí je plyn zcela vyčištěn od nečistot, sirovodíku, oxidu uhličitého.

Složení bioplynu umožňuje jeho využití jako alternativního zdroje energie a jeho výroba zabraňuje zvyšování obsahu metanu v atmosféře, což je důležité z hlediska životního prostředí.

Uvolňování hořlavých plynů z rozkládajících se odpadních produktů a biomasy bylo zaznamenáno již v 17. století.

V roce 1776 dospěl vědec Allesandro Volta k závěru, že mezi hmotností rozkládající se hmoty a objemem uvolněného plynu existuje vzájemný vztah a později se zjistilo, že metan je hlavní hořlavou složkou vznikajícího bioplynu.

Protože metan je hlavní složkou extrahované z podloží zemní plyn, pak se v procesu studia bioplynu začala objevovat zařízení pro jeho průmyslovou výrobu jako alternativa k fosilním palivům.

První zdokumentovaná bioplynová stanice byla postavena v roce 1859 v Indii a poprvé v Evropě, ve Velké Británii, byl bioplyn použit v pouličních lampách v roce 1895.

Výkres znázorňující průřez první bioplynovou stanicí

Biochemické procesy tvorby bioplynu

První experimentální bioplynové stanice byly vyvinuty metodou pokus-omyl, bez skutečného pochopení příslušných procesů. S rozvojem mikrobiologie se ukázalo, že k vývoji plynu dochází v důsledku vodíku a metanu fermentace biomasy. Protože tyto typy fermentace probíhají bez přístupu kyslíku, proces rozkladu biomasy uvolňující metan se také nazývá anaerobní.

Anaerobní digesce se přirozeně vyskytuje při tvorbě bažinového plynu

Jiným způsobem se syntéza bioplynu nazývá biodegradace (biologická destrukce) organických látek s uvolňováním volných plynných metan (CH4). Níže je zjednodušený vzorec, který demonstruje uvolňování chemikálií z organických sloučenin během života metanogenních bakterií, které během metabolismu uvolňují plyn jako vedlejší produkt metanu:

Jinými slovy, mikroskopické bakterie, konzumující organické látky obsažené v biomase a biologickém odpadu, vypouštějí hořlavý plyn. Ale ani za nejpříznivějších podmínek nedochází k uvolňování hořlavého plynu okamžitě - nejprve je zapotřebí proces fermentace biomasy, jejíž rozklad probíhá v několika fázích po určitou dobu.

Etapy syntézy bioplynu

Pro reprodukci a životně důležitou činnost metanogenů emitujících metan je potřeba živné médium, které je v bioplynové stanici tvořeno předchozími generacemi jiných bakterií. V první fázi se bílkoviny, tuky a sacharidy přítomné v biomase vlivem hydrolytických enzymů rozkládají na jednoduché organické sloučeniny: aminokyseliny, cukr, mastné kyseliny. Tato fáze probíhá působením acetogenních bakterií a nazývá se hydrolýza.

Různé bakterie viděné pod mikroskopem

Ve druhém stupni dochází působením heteroacetogenních bakterií k hydrolytické oxidaci části organických sloučenin, čímž vzniká oxid uhličitý, volný vodík a acetát.

Nezoxidovaná část jednoduchých organických sloučenin získaných v prvním stupni tvoří při interakci s acetátem vzniklým ve druhém stupni nejjednodušší organické kyseliny, které jsou nezbytným živným prostředím pro bakterie produkující metan ve třetím stupni.

Životní stadia mikroorganismů při tvorbě metanu

Ve třetí fázi probíhá výroba bioplynu, jejíž intenzita závisí na následujících hlavních faktorech:

Složení biomasy;
Teplota živného média;
Tlak uvnitř instalace;
Acidobazická rovnováha pH;
Poměry vody a zatížené biomasy;
Mletí surovin a četnost míchání substrátu;
Přítomnost stimulačních a retardačních složek v prostředí;
Poměry uhlíku, fosforu, dusíku a dalších prvků.

Schematické znázornění hlavních součástí bioplynové stanice

Optimální složení surovin pro výrobu bioplynu

Vzhledem k tomu, že bílkoviny, tuky a sacharidy jsou obsaženy v jakékoli biomase rostlinného nebo živočišného původu, stejně jako v odpadních produktech a potravinářském průmyslu, kromě vědeckých laboratoří a průmyslových závodů, je docela možné získat bioplyn doma.

Ale v domácí instalaci kutilů bude velmi obtížné ovládat výše popsané parametry. Níže uvedené video ukazuje příklad průmyslové bioplynové stanice pro dům:

V pokračování tohoto tématu další článek podrobně popíše stávající typy generátorů bioplynu a domácích bioplynových stanic, které řemeslníci vyrábějí vlastníma rukama.

V této fázi je vhodné připomenout, že bioplyn je hořlavý a explozivní a nadměrný tlak může protrhnout bioplynovou stanici s následným výbuchem plynu. Primárním kontrolovaným parametrem by proto měl být tlak v instalaci a těsnost konstrukce.

Příklady surovin pro výrobu bioplynu

Maximální množství bioplynu lze získat z živočišných tuků – cca 1500 m3 na tunu surovin při koncentraci metanu 87 %. Rovněž značná výtěžnost bioplynu je získávána z přepáleného rostlinného oleje – cca 1200 m3 při koncentraci CH4 68 %.

Podstatně méně bioplynu se získává ze semen různých rostlin od 500 m3 - 54 % CH4 (oves) do 644 m3 - 65,7 % CH4 (řepka). Ze siláže kukuřice, trávy a dalších rostlin lze získat 450-100 m3 při průměrné koncentraci metanu 55-50%.

Možná výroba bioplynu z různých semen a okopanin

Bioplyn z živočišného odpadu

Ze zvířecího hnoje je výstup plynů mnohem menší, protože po průchodu potravním traktem v odpadních produktech je množství živin pro mikroorganismy tvořící metan malé.

Vzhledem k tomu, že trávicí systém ptáka je navržen tak, aby rychle přijal většinu živin z potravy, s častým pohybem střev pro usnadnění letu, bude výstup bioplynu z podestýlky největší - asi 100 m3 při 65% CH4.

Využití bioplynové stanice je nejvýhodnější na drůbežích farmách, kde je problém s likvidací ptačího trusu

Kdežto velký hnůj dobytek má nejnižší výtěžnost bioplynu, v průměru 25 m3 při 55% CH4, díky trávicímu traktu navrženému tak, aby maximalizoval extrakci živin z krmiva po dlouhou dobu při opakovaném žvýkání potravy.

Výtěžnost bioplynu z hnoje se zvyšuje jeho smícháním s podestýlkou a zbytky krmiva. Důležitá je také vlhkost a čerstvost hnoje – pro podrobnější údaje je třeba prostudovat speciální tabulky.

Možná výroba bioplynu z hnoje hospodářských zvířat

Kvalita vody a přítomnost nečistot má velký vliv na rychlost fermentace a koncentraci metanu v bioplynu. Vysoce chlorované voda z vodovodu používané k ředění hnoje brzdí proces fermentace.

Pokud se při čištění stání použijí baktericidní prostředky a chemické čisticí prostředky, rychlost reakcí v bioplynové stanici se výrazně zpomalí. Ze stejného důvodu vznikají značné potíže při zplyňování odpadních vod z lidských obydlí kvůli nízké ziskovosti a vysoké koncentraci detergentů.

I přes nízkou výtěžnost bioplynu z odpadních produktů organismů je v bioplynových stanicích vlastní výroby nutné přidávat hnůj k dalším druhům surovin pro reprodukci v substrátu všech požadovaných druhů bakterií, které původně žijí v trávicím traktu.

K produkci bioplynu je nutné do substrátu přidat hnůj obsahující bakterie

Složení bioplynové směsi

Jak bylo uvedeno výše, v různých fázích procesu biosyntézy se kromě metanu uvolňuje oxid uhličitý a vodík. V závislosti na surovinách se také uvolňuje amoniak a sirovodík. Přestože je vodík hořlavý, jeho těkavost neumožňuje použití tohoto plynu ve standardních plynových instalacích.

Amoniak a sirovodík jsou jedovaté sloučeniny, které poškozují jak bakterie uvnitř bioplynové stanice, tak životní prostředí. Oxid uhličitý je balast a jeho velké množství ve směsi výrazně snižuje hořlavost a výhřevnost bioplynu.

Průměrné procento nečistot v bioplynu vyrobeném z různých surovin

Pochopitelně kvůli velký počet nečistot je použití bioplynu v klasických kotlích a kamnech možné pouze po pečlivém čištění směs syntetizovaných plynů. Výsledný bioplyn se čistí v několika stupních, ale dosáhnout dokonale čistého metanu je téměř nemožné, hlavní je, že koncentrace nečistot nepřekračuje stanovené normy.

Plamen hořícího bioplynu musí být čistý, jako veškerá biologická energie

V první fázi čištění prochází bioplyn vodním filtrem, kde je rozpuštěna většina oxidu uhličitého, čpavku a různých aromatických sloučenin. Vodu s vysokou koncentrací rozpuštěného oxidu uhličitého a čpavku lze využít k pěstování řas, které zase poslouží k syntéze bioplynu v bioplynové stanici.

Systémy čištění bioplynu v průmyslové bioplynové stanici

Po vyčištění vody vstupuje bioplyn do čisticího filtru na sirovodík. Nejjednodušší je filtr z kovových hoblin a pilin, na kterých se ukládá síra. Průmyslové filtry používají speciální katalyzátory a roztoky srážející síru. nejlepší kvalita bioplyn se získává po průchodu membránovým filtrem, kde jsou na molekulární úrovni odfiltrovány molekuly nežádoucích nečistot.

Čištění bioplynu na čistý metan pomocí membránového filtru

Popis vlivu některých faktorů na uvolňování bioplynu

Pro stanovení rychlosti kvašení a intenzity uvolňování bioplynu je jedním z rozhodujících faktorů teplota směsi. Potřebujete teploměr, ale spíše elektrické čidlo pro kontrolu teploty.

V průmyslových bioplynových stanicích je teplotní režim a další parametry řízeny speciálními regulátory. Někdy stačí k udržení reakčního tepla optimální teplotu, ale nejčastěji se musí substrát zahřívat, zejména v chladném období.

Počítačový regulátor bioplynové stanice s analyzátory plynu

Podle teplotního režimu existují tři typy anaerobní fermentace:

Psychrofilní instalace fungující bez vytápění, kde je teplota spontánně udržována na 15-25ºC. Používá se v zemích s teplým klimatem;
Mezofilní, vyžadují dodatečné mírné zahřátí k udržení teploty 25-40ºC. Mají nejbohatší složení ekologických hnojiv vytvořených po generaci, proto se optimálně hodí pro malé farmy;
Energeticky náročné termofilní bioplynové stanice pro udržení teplot nad 40ºC, maximálně 90ºC. Při této teplotě ve výsledných hnojivech hynou patogenní bakterie a získává se nejvyšší výtěžnost bioplynu, proto je hojně využíván v průmyslové výrobě bioplynu.

Tepelná izolace reaktoru termofilní bioplynové stanice

Spolu s teplotou velká důležitost má velikost pevných částic hnoje, odpadu a biomasy. Čím menší jsou částice surovin, tím větší je oblast kontaktu bakterií se živným médiem. Nejdůležitější při přípravě surovin je proto její broušení.

Kontakt bakterií s potravinami je v procesu biosyntézy ztížen hromaděním odpadních produktů mikroorganismů. Významným faktorem pro zplyňování biomasy je proto také včasné promíchání substrátu během fermentačního procesu. Příklad průmyslové bioplynové stanice s řízením všech parametrů:

Rentabilita výroby bioplynu

Německo je lídrem ve výrobě vysoce kvalitního bioplynu z vypěstovaných surovin a odpadů z chovů hospodářských zvířat. Ziskovost biosyntézy plynu je určena jednak vysokými náklady na nosiče energie a jednak dostupností pobídkových vládních programů.

Motivací pro zavádění bioplynových technologií je jak významná dotace na nákup ekologických zdrojů energie od výrobců, tak impozantní výše pokuty za znečištění životního prostředí nezpracovaným hnojem.

Ekologický bioplynový komplex v ekonomicky vyspělé zemi

V chudých vesnicích Indie a Číny majitelé polořemeslných bioplynových stanic svůj plyn prakticky nečistí a okamžitě ho spálí v kamnech nebo plynovém hořáku. V těchto zemích se výroba bioplynu z domovního odpadu a speciálně vypěstovaných rostlinných surovin vyplatí díky nízké ceně ruční práce zemědělců a nízkým nákladům na samotné závody, bez drahých čistících systémů a složitých automatizovaných systémů kontroly a řízení .

Příklad polořemeslných bioplynových stanic v chudých vesnicích v Asii

V tisku a na internetu můžete najít mnoho veselých titulků jako: „Úspora rozpočtu s bioplynovou stanicí“, „Zdarma energie z hnoje“, „Bioplyn vlastníma rukama“, ale v praxi očekávání návratnosti drahého vybavení a náklady se liší od reality. Je to dáno obtížnou kontrolou všech parametrů a také nutností ohřevu pro optimální rychlost fermentace. Příklad optimistické zprávy:

V příštím článku budou uvedeny příklady zařízení vlastní výroby s ukázkou výkonu plynu v reálných podmínkách a každý si bude moci sám určit rentabilitu samostatné výroby bioplynu na základě svých možností a energetických tarifů.

Významnou výhodou samostatné výroby bioplynu je druhotná výroba kvalitního ekologického hnojiva. Ve videu níže mistr vysvětluje teoretický základ pro získávání bioplynu a získávání hnojiv.

Stálé propagaceceny plynustrukturální krize a tržní spekulace na pozadí politické nestability posloužily jako impuls pro rozvoj technologií výroby umělého plynu, a to prostřednictvím využití odpadních produktů z různých průmyslových odvětví. Dvě desetiletí rychlého rozvojebioplynový průmysl se stal mocným a inženýři vyvinuli technicky správná řešení pro výrobu dostatečného množství energie z biologického odpadu decentralizovaným způsobem.V Německu dnes funguje více než 7000 bioplynových stanic s kapacitouod 500 kW/h do 2 MW/h.Bioplyn se vyrábí vbioplynové stanice všude tam, kde je dostupný bioodpad popřenergeticky hodnotný rostlinný materiál.

Co je to bioplyn?

Bioplyn - zobecněný název pro hořlavou směs plynů získanou přirozeným rozkladem látek organického původu v důsledku anaerobního mikrobiologického procesu (methanová fermentace). Aby proces rozkladu netrval tisíce let, ale byl počítán na dny, jsou vytvořeny nejpříznivější podmínky pro životně důležitou aktivitu několika druhů bakterií.Teplota života a „potrava“ pro bakterie jsou připravovány pečlivě. Směs, která se naplní do bioreaktoru, se nazývá biosubstrát. Biosubstrát tvoří nejčastěji směs hnoje a drcené kukuřičné siláže (na obrázku vlevo).

Současné bioplynové stanice jsou stále častěji konstruovány za účelem recyklace organického odpadu z domácností, proto je složení biosubstrátu pro bioplynové stanice voleno individuálně.

Proces uvolňování bioplynu lze pozorovat malým okénkem ve fermentoru.

Proces chemických přeměn uvnitř bioplynové stanice odráží následující schéma:

Malé bublinky na povrchu plynule se pohybujícího biosubstrátu, to je bioplyn.

Bioplyn je vždy směs metanu s dalšími plyny jako vedlejší produkt.Složení bioplynu zahrnuje:

Složení bioplynu se může lišit v závislosti na typu organických složek pro biosubstrát používaný bioplynovou stanicí, procento metanu může být vyšší nebo nižší.

Vzhledem k tomu, že bioplyn se skládá ze 2/3 z metanu - hořlavého plynu, který tvoří základ zemního plynu, jeho energetická hodnota (měrné spalné teplo) je 60-70% energetickou hodnotu zemního plynu, nebo asi 7000 kcal na m 3 . Odpovídá 1m 3 bioplyn může být 700 gramů topného oleje a 1,7 kg palivového dřeva.

Pro srovnání:

Jeden kus skotu vyprodukuje 300-500 m 3 bioplynu ročně
Jeden hektar luční trávy - 6000-8000 m3 bioplynu ročně
Jeden ha krmné řepy - 8000-12000 m3 bioplynu ročně

Proč používat bioplyn?

Vzhledem k vysokým nákladům na energie a na druhé straně rostoucímu množství organického odpadu ze zemědělství a lidského života (to je vše obnovitelné zdroje energie), b jogas je důležitým produktem - as alternativní energie. Nejdůležitější funkce bioplynové stanice- Tento garantovaná energetická bezpečnost jako samostatná výroba (prasečí farmy, skleníky, sýpky) a v měřítku malých sídel - klíčové zařízení na podporu života, které zajistí kompletní decentralizované zásobování elektřinou a teplem všem obyvatelům. V dnešních krizových podmínkách rozvoje Ukrajiny tento faktor nabývá na zvláštní síle.

Jaké jsou výhody bioplynové stanice?

Teplý. Při chlazení motoru kogenerátoru, ve kterém se spaluje bioplyn, vzniká teplo ve formě horké vody. horká voda používá se pro vytápění místností s lidmi a zvířaty, pro vytápění skleníků, bazénů.
Elektřina. Nezávislý a garantovaný zdroj. Žádné průběžné výpadky proudu. Spalování plynu v motoru s vnitřním spalováním pohání hřídel generátoru a vyrábí elektřinu. Z jednoho m3 bioplynu lze vyrobit cca 2 kW elektřiny.
Zemní plyn. Moderní bioplynové stanice jsou stále častěji vybaveny moduly pro čištění bioplynu. V důsledku několika technologické operace obsah metanu se zvýší na 90 %, odstraní se vedlejší plyny. Bioplyn se stal standardním zemním plynem a lze jej využívat pro domácí účely.
organická hnojiva. Biosubstrát je po odstranění plynu z něj a ošetření bakteriemi ekologické, kapalné hnojivo bez dusičnanů, semen plevelů a patogenní mikroflóry.
Řešení otázky životního prostředí . Likvidace hnoje. Bioplynové stanice jsou instalovány na čistírnách odpadních vod ve městech, ve venkovských oblastech na farmách, drůbežárnách, masokombinátech pro zajištění energetické nezávislosti, výroby elektřiny a tepla z výrobních odpadů.

Produkce bioplynu umožňuje předcházet emisím metanu do atmosféry, omezovat používání chemických hnojiv a eliminovat riziko znečištění podzemních vod.

Pro ukrajinskou ekonomiku je nejdůležitější, že bioplyn je vedlejším produktem zpracování organického odpadu, suroviny pro výrobu bioplynu jsou již v podniku, není třeba jej kupovat.

Na čem běží bioplynová stanice? - Na odpad!

Používají se tyto suroviny: zemědělský odpad (hnůj, hnůj z farem a areálů hospodářských zvířat, rostlinný odpad (sila)), odpad z jatek, odpad z potravinářského průmyslu (vinasa, buničina), odpad z městské kanalizace. Náklady na výrobu bioplynu budou spojeny pouze s provozními náklady na zařízení a údržbu. Přímým přínosem bude úspora tepla, elektřiny a úspora nákladů na minerální hnojiva díky výrobě vysoce kvalitních organických hnojiv.

Při absenci takových zařízení je likvidace odpadu pro podniky velkým bolehlavem, vysokými finančními a pracovními náklady na odstranění a likvidaci odpadu, ale využití odpadu a zavedená bioplynová stanice tento problém zcela řeší a navíc poskytuje podniku a blízké osady s elektřinou, plynem a teplem.

Z jednoho zvířete (skotu) lze získat cca 400 - 500 m3 bioplynu. Při využití energetických zařízení je možné získat od 6 000 do 12 000 (kukuřičná siláž/krmná řepa) m3 bioplynu na hektar. Z 1 m3 bioplynu v závislosti na obsahu metanu lze vyrobit od 1,5 do 2,2 kW elektřiny.

Má smysl využívat malé bioplynové stanice, kde je možné získat suroviny a plně využít výsledné produkty. Instalace se úspěšně používají tam, kde je potřeba teplo, pára, elektřina nebo chlad. Obvykle je k dispozici dostatek surovin pro bioplynové stanicečistírny odpadních vod, skládky odpadků, vepříny, drůbežárny, kravíny – to vše je obnovitelná energie. Tato energie se využívá ve školách, lékařské ústavy, bazény, komunální tepelné elektrárny, hotely a ubytovny, závody a továrny.

Technologie výroby bioplynu. Moderní komplexy hospodářských zvířat poskytují vysokou míru produkce. Aplikovaná technologická řešení umožňují plně vyhovět požadavkům současných sanitárních a hygienických norem v prostorách samotných areálů.

Velké množství kejdy soustředěné na jednom místě však vytváří značné ekologické problémy pro území sousedící s komplexem. Například čerstvý prasečí hnůj a trus jsou klasifikovány jako odpad 3. třídy nebezpečnosti. Problematika životního prostředí je pod kontrolou dozorových orgánů, požadavky legislativy na tuto problematiku jsou neustále zpřísňovány.

Biokomplex nabízí komplexní řešení pro likvidaci kejdy, které zahrnuje zrychlené zpracování v moderních bioplynových stanicích (BGU). V procesu zpracování ve zrychleném režimu probíhají přirozené procesy rozkladu organické hmoty s uvolňováním plynu, včetně: metanu, CO2, síry atd. Pouze výsledný plyn se neuvolňuje do atmosféry, což způsobuje skleníkový efekt, ale je posílán do speciálních zařízení na výrobu plynu (kogenerace), která vyrábějí elektrickou a tepelnou energii.

Bioplyn - hořlavý plyn, vznikající při anaerobní digesci biomasy metanem a sestávající převážně z metanu (55-75 %), oxidu uhličitého (25-45 %) a nečistot sirovodíku, čpavku, oxidů dusíku a dalších (méně než 1 %).

K rozkladu biomasy dochází v důsledku chemických a fyzikálních procesů a symbiotické aktivity 3 hlavních skupin bakterií, zatímco produkty látkové výměny některých skupin bakterií jsou produkty potravin jiných skupin, a to v určitém sledu.

První skupina - hydrolytické bakterie, druhá - kyselinotvorná, třetí - metanotvorná.

Jako surovinu pro výrobu bioplynu lze použít jako organický agroprůmyslový popř domácí odpad a rostlinné materiály.

Nejběžnější druhy agroprůmyslového komplexního odpadu používaného pro výrobu bioplynu jsou:

prasečí a dobytčí hnůj, drůbeží trus;
zbytky z krmného stolu komplexů pro dobytek;
vrcholky zeleninových plodin;
nekvalitní úroda obilovin a zeleniny, cukrové řepy, kukuřice;
buničina a melasa;
mouka, pelety, jemné zrno, embrya;
pivní zrna, sladové klíčky, proteinové kaly;
odpad z výroby škrobového melasu;
ovocné a zeleninové výlisky;
sérum;
atd.

Zdroj surovin	Druh suroviny	Množství surovin za rok, m3 (tuny)	Množství bioplynu, m3
1 dojná kráva	Kejdu bez lůžek
1 prase na výkrm	Kejdu bez lůžek
1 býk ve výkrmu	Podestýlka pevný hnůj
1 kůň	Podestýlka pevný hnůj
100 kuřat	Suché stelivo
1 ha orné půdy	Čerstvá kukuřičná siláž
1 ha orné půdy	Cukrovka
1 ha orné půdy	Čerstvá obilná siláž
1 ha orné půdy	Čerstvá travní siláž

Počet substrátů (druhů odpadu) používaných pro výrobu bioplynu v rámci jedné bioplynové stanice (BGU) se může lišit od jednoho do deseti nebo více.

Bioplynové projekty v zemědělsko-průmyslovém sektoru lze vytvořit podle jedné z následujících možností:

výroba bioplynu z odpadu jednotlivého podniku (např. hnůj z farmy hospodářských zvířat, bagasa z cukrovaru, výpalky z lihovaru);
výroba bioplynu na bázi odpadu z různých podniků s vazbou projektu na samostatný podnik nebo samostatně umístěnou centralizovanou bioplynovou stanici;
výroba bioplynu s převažujícím využitím energetických zařízení na samostatně umístěných bioplynových stanicích.

Nejčastějším způsobem energetického využití bioplynu je spalování v plynových pístových motorech v rámci mini-KVET, s výrobou elektřiny a tepla.

Existovat různé možnosti technologická schémata bioplynových stanic- v závislosti na typech a počtu druhů použitých substrátů. Použití předpřípravy v řadě případů umožňuje dosáhnout zvýšení rychlosti a stupně rozkladu surovin v bioreaktorech a tím i zvýšení celkového výtěžku bioplynu. V případě použití více substrátů, které se liší svými vlastnostmi, např. tekutý a pevný odpad, se jejich akumulace, předběžná příprava (separace na frakce, mletí, ohřev, homogenizace, biochemická nebo biologická úprava atd.) provádí samostatně, po které jsou buď smíchány před plněním do bioreaktorů, nebo jsou přiváděny v oddělených proudech.

Hlavní stavební bloky Schémata typické bioplynové stanice jsou:

systém pro příjem a předpřípravu podkladů;
systém pro přepravu substrátů v rámci zařízení;
bioreaktory (fermentory) s míchacím systémem;
topný systém bioreaktoru;
systém pro odstraňování a čištění bioplynu od nečistot sirovodíku a vlhkosti;
skladovací nádrže na fermentovanou hmotu a bioplyn;
systém programového řízení a automatizace technologických procesů.

Technologická schémata BSU se liší v závislosti na typu a počtu zpracovávaných substrátů, na typu a kvalitě finálních cílových produktů, na tom či onom použitém „know-how“ dodavatelské firmy. technologické řešení a řadu dalších faktorů. Nejběžnější jsou dnes schémata s jednostupňovou fermentací několika typů substrátů, z nichž jedním je obvykle hnůj.

S rozvojem bioplynových technologií se používaná technická řešení stávají složitějšími směrem k dvoustupňovým schématům, což je v některých případech odůvodněno technologickou potřebou efektivního zpracování určitých typů substrátů a zvýšením celkové efektivity využití pracovních objem bioreaktorů.

Vlastnosti výroby bioplynu spočívá v tom, že jej mohou produkovat metanové bakterie pouze z absolutně suchých organických látek. Proto je úkolem první fáze výroby vytvořit substrátovou směs, která má zvýšený obsah organickou hmotu a zároveň je lze čerpat. Jedná se o substrát s obsahem pevných látek 10-12%. Řešení je dosaženo oddělením přebytečné vlhkosti pomocí šnekových separátorů.

Kejda vstupuje do nádrže z výrobních zařízení, je homogenizována ponorným míchadlem a ponorným čerpadlem je přiváděna do separátoru šnekových separátorů. Kapalná frakce se shromažďuje v samostatné nádrži. Pevná frakce se naplní do podavače pevných surovin.

V souladu s harmonogramem plnění substrátu do fermentoru se podle vyvinutého programu periodicky zapíná čerpadlo, které dodává kapalnou frakci do fermentoru, a současně se zapíná nakladač pevné suroviny. Alternativně může být kapalná frakce přiváděna do pevného dávkovače s funkcí míchání a poté je hotová směs přiváděna do fermentoru podle vyvinutého nakládacího programu.Inkluze jsou krátké. To se provádí, aby se zabránilo nadměrnému vstupu organického substrátu do fermentoru, protože to může narušit rovnováhu látek a způsobit destabilizaci procesu ve fermentoru. Současně se zapínají i čerpadla, která přečerpávají digestát z fermentoru do dokvašovače a z dokvašovače do zásobníku digestátu (laguny), aby nedocházelo k přeplnění fermentoru a dokvašovače.

Hmoty digestátu umístěné ve fermentoru a dokvašovacím zařízení jsou smíchány, aby bylo zajištěno rovnoměrné rozložení bakterií v celém objemu nádob. Pro míchání se používají pomaloběžné míchačky speciální konstrukce.

V procesu hledání substrátu ve fermentoru uvolňují bakterie až 80 % celkového bioplynu produkovaného bioplynovou stanicí. Zbytek bioplynu se uvolní v kondicionéru.

Důležitou roli pro zajištění stabilního množství uvolněného bioplynu hraje teplota kapaliny uvnitř fermentoru a dokvašovacího zařízení. Proces probíhá zpravidla v mezofilním režimu s teplotou 41-43°C. Udržení stabilní teploty je dosaženo použitím speciálních trubkových ohřívačů uvnitř fermentorů a fermentorů a také spolehlivou tepelnou izolací stěn a potrubí. Bioplyn vycházející z digestátu má vysoký obsah síry. Čištění bioplynu od síry se provádí pomocí speciálních bakterií, které obývají povrch izolace položené na dřevěné trámové klenbě uvnitř fermentorů a dokvašovačů.

Akumulace bioplynu se provádí v plynojemu, který je vytvořen mezi povrchem digestátu a elastickým vysokopevnostním materiálem pokrývajícím shora fermentor a fermentor. Materiál má schopnost se silně roztahovat (bez snížení pevnosti), což výrazně zvyšuje kapacitu plynojemu s akumulací bioplynu. Aby nedošlo k přeplnění plynojemu a protržení materiálu, je zde pojistný ventil.

Bioplyn pak vstupuje do kogenerační jednotky. Kogenerační zařízení (CHP) je jednotka, ve které se vyrábí elektrická energie generátory poháněné plynovými pístovými motory poháněnými bioplynem. Kogenerátory na bioplyn mají strukturální rozdíly od konvenčních plynových generátorových motorů, protože bioplyn je velmi ochuzené palivo. Elektrická energie generovaná generátory dodává energii samotnému elektrickému zařízení bioplynové stanice a vše, co ji převyšuje, je uvolněno k okolním spotřebitelům. Energie kapaliny použité k chlazení kogenerátorů je generovaná tepelná energie mínus ztráty v kotlových zařízeních. Vzniklá tepelná energie je částečně využívána k ohřevu fermentorů a dokvašovacích zařízení a zbytek je také posílán okolním spotřebitelům. jde do

Je možné instalovat přídavné zařízení pro čištění bioplynu na úroveň zemního plynu, toto zařízení je však drahé a používá se pouze v případě, že účelem bioplynové stanice není výroba tepla a elektřiny, ale výroba paliva pro plynové pístové motory . Osvědčenými a nejčastěji používanými technologiemi úpravy bioplynu jsou absorpce vody, adsorpce tlakového nosiče, chemické srážení a membránová separace.

Energetická účinnost provozu bioplynové stanice do značné míry závisí jak na zvolené technologii, materiálech a provedení hlavních konstrukcí, tak na klimatické podmínky v oblasti jejich umístění. Průměrná spotřeba tepelné energie na ohřev bioreaktorů je mírná klimatická zóna rovnající se 15–30 % energie vyrobené kogenerátory (brutto).

Celková energetická účinnost bioplynového komplexu s kogenerací na bioplyn je v průměru 75-80 %. V situaci, kdy veškeré teplo přijaté z kogeneračního zařízení při výrobě elektřiny nelze spotřebovat (běžná situace z důvodu nedostatku externích odběratelů tepla), je vypouštěno do atmosféry. V tomto případě je energetická účinnost bioplynové tepelné elektrárny pouze 35 % z celkové energie bioplynu.

Hlavní výkonnostní ukazatele bioplynových stanic se mohou výrazně lišit, což je do značné míry dáno použitými substráty, přijatými technologickými předpisy, provozními postupy a úkoly prováděnými každým jednotlivým zařízením.

Proces zpracování hnoje není delší než 40 dní. Digest získaný zpracováním je bez zápachu a je vynikajícím organickým hnojivem, ve kterém bylo dosaženo nejvyššího stupně mineralizace živin absorbovaných rostlinami.

Digestát se obvykle dělí na kapalné a pevné frakce pomocí šnekových separátorů. Kapalná frakce se posílá do lagun, kde se akumuluje až do doby aplikace do půdy. Pevná frakce se také používá jako hnojivo. Pokud se na pevnou frakci aplikuje dodatečné sušení, granulace a balení, pak bude vhodná pro dlouhodobé skladování a přepravu na dlouhé vzdálenosti.

Výroba a energetické využití bioplynu má řadu rozumných a světovou praxí potvrzených výhod, jmenovitě:

Obnovitelný zdroj energie (OZE). K výrobě bioplynu se využívá obnovitelná biomasa.
Široká škála surovin používaných pro výrobu bioplynu umožňuje výstavbu bioplynových stanic prakticky všude v oblastech koncentrace zemědělské výroby a technologicky navazujících odvětví.
Všestrannost způsobů využití energie bioplynu jak pro výrobu elektrické a/nebo tepelné energie v místě jejího vzniku, tak v jakémkoliv zařízení připojeném k plynárenské přepravní síti (v případě dodávky vyčištěného bioplynu do této sítě), stejně jako jako motorové palivo pro automobily.
Stabilita výroby elektřiny z bioplynu v průběhu celého roku umožňuje pokrýt špičkové zatížení sítě, a to i v případě využití nestabilních obnovitelných zdrojů energie, jako jsou solární a větrné elektrárny.
Tvorba pracovních míst prostřednictvím vytvoření tržního řetězce od dodavatelů biomasy až po obsluhu energetických zařízení.
Snížení negativního dopadu na životní prostředí prostřednictvím zpracování a neutralizace odpadu prostřednictvím řízené digesce v bioplynových reaktorech. Bioplynové technologie jsou jedním z hlavních a nejracionálnějších způsobů neutralizace organického odpadu. Bioplynové projekty pomáhají snižovat emise skleníkových plynů do atmosféry.
Agrotechnický efekt využití hmoty fermentované v bioplynových reaktorech na zemědělských polích se projevuje zlepšením struktury půd, regenerací a zvýšením jejich úrodnosti díky vnášení živin organického původu. Rozvoj trhu s organickými hnojivy, včetně hmoty zpracované v bioplynových reaktorech, v budoucnu přispěje k rozvoji trhu se zemědělskými produkty šetrnými k životnímu prostředí a zvýší jeho konkurenceschopnost.

Odhadované jednotkové investiční náklady

BSU 75 kWel. ~ 9 000 €/kWh.

BSU 150 kWel. ~ 6 500 €/kWh.

BSU 250 kWel. ~ 6 000 €/kWh.

BSU do 500 kWel. ~ 4 500 €/kWh.

BGU 1 MWtel. ~ 3 500 €/kWh.

Vyrobená elektrická a tepelná energie dokáže zajistit nejen potřeby areálu, ale i přilehlé infrastruktury. Suroviny pro BSU jsou navíc zdarma, což zajišťuje vysokou ekonomická účinnost po uplynutí doby návratnosti (4-7 let). Náklady na energii generovanou na BSU v čase nerostou, ale naopak klesají.

Bioplyn je plyn získaný v důsledku fermentace (fermentace) organických látek (například: sláma; plevel; zvířecí a lidské výkaly; odpadky; organický odpad z domovních a průmyslových odpadních vod atd.) za anaerobních podmínek. Produkce bioplynu zahrnuje různé typy mikroorganismů s různým počtem katabolických funkcí.

Složení bioplynu.

Bioplyn se skládá z více než poloviny z metanu (CH 4). Metan tvoří přibližně 60 % bioplynu. Kromě toho bioplyn obsahuje oxid uhličitý (CO 2) asi 35% a také další plyny jako vodní páru, sirovodík, oxid uhelnatý, dusík a další. Bioplyn získaný za různých podmínek se liší svým složením. Takže bioplyn z lidských exkrementů, hnoje, jatečního odpadu obsahuje až 70 % metanu a z rostlinných zbytků zpravidla asi 55 % metanu.

Mikrobiologie bioplynu.

Fermentaci bioplynu lze v závislosti na použitém mikrobiálním druhu bakterií rozdělit do tří fází:

První se nazývá zahájení bakteriální fermentace. Různé organické bakterie, množící se, vylučují extracelulární enzymy, jejichž hlavní úlohou je destrukce složitých organických sloučenin s hydrolýzou tvorby jednoduchých látek. Například polysacharidy až monosacharidy; protein na peptidy nebo aminokyseliny; tuky na glycerol a mastné kyseliny.

Druhý stupeň se nazývá vodík. Vodík vzniká v důsledku činnosti bakterií octového kvašení. Jejich hlavní úlohou je bakteriálně rozkládat kyselinu octovou za vzniku oxidu uhličitého a vodíku.

Třetí stupeň se nazývá metanogenní. Zahrnuje typ bakterií známých jako metanogeny. Jejich úlohou je využívat kyselinu octovou, vodík a oxid uhličitý k tvorbě metanu.

Klasifikace a charakteristika surovin pro fermentaci bioplynu.

Téměř všechny přírodní organické materiály lze použít jako surovinu pro fermentaci bioplynu. Hlavními surovinami pro výrobu bioplynu jsou odpadní vody: splaškové; potravinářský, farmaceutický a chemický průmysl. Ve venkovských oblastech se jedná o odpad vznikající při sklizni. Vzhledem k rozdílům v původu je proces formování také odlišný, chemické složení a struktura bioplynu.

Zdroje surovin pro bioplyn v závislosti na původu:

1. Zemědělské suroviny.

Tyto suroviny lze rozdělit na suroviny bohaté na dusík a suroviny bohaté na uhlík.

Suroviny s vysokým obsahem dusíku:

lidské výkaly, hnůj hospodářských zvířat, ptačí trus. Poměr uhlík-dusík je 25:1 nebo méně. Taková surovina byla zcela strávena lidským nebo zvířecím gastrointestinálním traktem. Zpravidla obsahuje velké množství nízkomolekulárních sloučenin. Voda v těchto surovinách byla částečně přeměněna a stala se součástí nízkomolekulárních sloučenin. Tato surovina se vyznačuje snadným a rychlým anaerobním rozkladem na bioplyn. Stejně jako bohatý výtěžek metanu.

Suroviny s vysokým obsahem uhlíku:

sláma a plevy. Poměr uhlíku a dusíku je 40:1. Má vysoký obsah makromolekulárních sloučenin: celulóza, hemicelulóza, pektin, lignin, rostlinné vosky. Anaerobní rozklad je poměrně pomalý. Aby se zvýšila rychlost produkce plynu, takové materiály obvykle vyžadují předběžnou úpravu před fermentací.

2. Městský organický odpad s vodou.

Zahrnuje lidský odpad, splašky, organický odpad, organickou průmyslovou odpadní vodu, kal.

3. Vodní rostliny.

Zahrnuje vodní hyacint, další vodní rostliny a řasy. Předpokládané plánované zatížení výrobních kapacit se vyznačuje vysokou závislostí na solární energii. Mají vysokou návratnost. Technologická organizace vyžaduje pečlivější přístup. Anaerobní rozklad je snadný. Metanový cyklus je krátký. Zvláštností takových surovin je, že bez předúpravy plavou v reaktoru. Aby se tomu zabránilo, musí být surovina do 2 dnů mírně vysušena nebo předkompostována.

Zdroje surovin pro bioplyn v závislosti na vlhkosti:

1. Pevná surovina:

sláma, organický odpad s relativně vysokým obsahem sušiny. Jejich zpracování probíhá podle metody suché fermentace. Potíže vznikají při odstraňování velkého množství pevných usazenin z reaktoru. Celkové množství použité suroviny lze vyjádřit jako součet obsahu pevných látek (TS) a těkavých látek (VS). Těkavé látky mohou být přeměněny na metan. Pro výpočet těkavých látek se vzorek suroviny vloží do muflové pece o teplotě 530-570°C.

2. Tekutá surovina:

čerstvé výkaly, hnůj, trus. Obsahují asi 20 % sušiny. Navíc vyžadují přidání vody v množství 10 % pro smíchání s pevnými surovinami během suché fermentace.

3. Organický odpad střední vlhkosti:

bardy výroby lihu, odpadní vody z celulózek atd. Takové suroviny obsahují různá množství bílkovin, tuků a sacharidů a jsou dobrou surovinou pro výrobu bioplynu. Pro tuto surovinu se používají zařízení typu UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - vzestupný anaerobní proces).

Stůl 1. Informace o debetu (rychlosti tvorby) bioplynu za následujících podmínek: 1) teplota fermentace 30°C; 2) periodické kvašení

Název fermentovaného odpadu	Průměrný průtok bioplynu při normální produkci plynu (m 3 /m 3 /d)	Výkon bioplynu, m 3 /Kg/TS	Průtok bioplynu (v % celkové produkce bioplynu)
Název fermentovaného odpadu		Výkon bioplynu, m 3 /Kg/TS	0-15d	25-45d	45-75d	75-135d
suchý hnůj	0,20	0,12	11	33,8	20,9	34,3
Voda pro chemický průmysl	0,40	0,16	83	17	0	0
Rogulnik (chilim, vodní kaštan)	0,38	0,20	23	45	32	0
vodní salát	0,40	0,20	23	62	15	0
Prasečí hnůj	0,30	0,22	20	31,8	26	22,2
Suchá tráva	0,20	0,21	13	11	43	33
Sláma	0,35	0,23	9	50	16	25
lidské exkrementy	0,53	0,31	45	22	27,3	5,7

Výpočet procesu kvašení metanu (fermentace).

Obecné zásady fermentační inženýrské výpočty jsou založeny na zvýšení zatížení organických surovin a zkrácení doby trvání metanového cyklu.

Výpočet surovin na cyklus.

Nakládání surovin je charakterizováno: Hmotnostním zlomkem TS (%), hmotnostním zlomkem VS (%), koncentrací CHSK (CHSK - chemická spotřeba kyslíku, což znamená CHSK - chemický index kyslíku) (Kg/m 3). Koncentrace závisí na typu fermentačních zařízení. Například moderní průmyslové reaktory na odpadní vody jsou UASB (upstream anaerob process). Pro pevné suroviny se používají AF (anaerobní filtry) – obvykle méně než 1 %. Průmyslový odpad jako surovina pro bioplyn je nejčastěji vysoce koncentrovaný a je třeba jej ředit.

Výpočet rychlosti stahování.

Pro stanovení denního množství zatížení reaktoru: koncentrace CHSK (Kg/m 3 ·d), TS (Kg/m 3 ·d), VS (Kg/m 3 ·d). Tyto ukazatele jsou důležitými ukazateli pro hodnocení účinnosti bioplynu. Je třeba usilovat o omezení zátěže a zároveň mít vysoká úroveň objem produkce plynu.

Výpočet poměru objemu reaktoru k výkonu plynu.

Tento ukazatel je důležitým ukazatelem pro hodnocení účinnosti reaktoru. Měřeno v kg/m 3 d.

Výstup bioplynu na jednotku hmotnosti fermentace.

Tento ukazatel charakterizuje současný stav výroby bioplynu. Například objem sběrače plynu je 3 m 3 . Denně se podává 10 kg/TS. Výtěžnost bioplynu je 3/10 = 0,3 (m 3 /Kg/TS). V závislosti na situaci lze použít teoretický výstup plynu nebo skutečný výstup plynu.

Teoretický výtěžek bioplynu je určen vzorcem:

Produkce metanu (E):

E = 0,37A + 0,49B + 1,04C.

Produkce oxidu uhličitého (D):

D = 0,37A + 0,49B + 0,36C. Kde A je obsah sacharidů na gram fermentovaného materiálu, B je protein, C je obsah tuku

hydraulický objem.

Pro zvýšení účinnosti je nutné zkrátit dobu kvašení. Do jisté míry existuje souvislost se ztrátou fermentujících mikroorganismů. V současné době mají některé účinné reaktory dobu fermentace 12 dní nebo i méně. Hydraulický objem se vypočítá počítáním objemu denního plnění suroviny ode dne zahájení plnění surovinou a závisí na době zdržení v reaktoru. Například je plánována fermentace při 35 °C, koncentrace nástřiku 8 % (celkový TS), denní objem nástřiku 50 m3, doba fermentace v reaktoru 20 dní. Hydraulický objem bude: 50 20 \u003d 100 m 3.

Odstraňování organických nečistot.

Výroba bioplynu, jako každá biochemická výroba, má odpad. Odpad z biochemické výroby může v případech nekontrolované likvidace odpadu poškozovat životní prostředí. Například pád do řeky vedle. Moderní velké bioplynové stanice produkují tisíce a dokonce desetitisíce kilogramů odpadu denně. Kvalitativní složení a způsoby likvidace odpadů velkých bioplynových stanic kontrolují laboratoře podniků a státní správa životního prostředí. Malé farmářské bioplynové stanice nemají takovou kontrolu ze dvou důvodů: 1) protože je zde málo odpadu, bude jen málo škodit životnímu prostředí. 2) Držení kvalitativní analýza odpadové hospodářství vyžaduje specifické laboratorní vybavení a vysoce specializovaný personál. Drobní zemědělci toto nemají a státní úřady takovou kontrolu právem považují za nevhodnou.

Ukazatelem úrovně kontaminace odpadů z bioplynových reaktorů je CHSK (chemický index kyslíku).

Je použit následující matematický vztah: CHSK míra organického zatížení kg/m3 ·d= zatížení koncentrace CHSK (kg/m3) / doba hydraulického skladování (d).

Průtok plynu v objemu reaktoru (kg/(m 3 d)) = výkon bioplynu (m 3 /kg) / rychlost organického zatížení CHSK kg/(m 3 d).

Výhody bioplynových elektráren:

pevné a kapalné odpady mají specifický zápach odpuzující mouchy a hlodavce;

schopnost produkovat užitečný konečný produkt - metan, což je čisté a pohodlné palivo;

v procesu fermentace odumírají semena plevelů a některé z patogenů;

během fermentačního procesu jsou dusík, fosfor, draslík a další složky hnojiva téměř zcela zachovány, část organického dusíku se přeměňuje na amoniakální dusík, což zvyšuje jeho hodnotu;

fermentační zbytek může být použit jako krmivo pro zvířata;

fermentace bioplynu nevyžaduje použití kyslíku ze vzduchu;

anaerobní kal lze skladovat několik měsíců bez přídavku živin a poté, když se naloží surovina, může fermentace rychle začít znovu.

Nevýhody bioplynových elektráren:

složité zařízení a vyžaduje poměrně velké investice do konstrukce;

je vyžadována vysoká úroveň výstavby, správy a údržby;

počáteční anaerobní propagace fermentace je pomalá.

Vlastnosti procesu fermentace metanu a řízení procesu:

1. Teplota výroby bioplynu.

Teplota pro výrobu bioplynu může být v relativně širokém teplotním rozmezí 4~65°C. S rostoucí teplotou se rychlost produkce bioplynu zvyšuje, ale ne lineárně. Teplota 40~55°C je přechodovou zónou pro životně důležitou aktivitu různých mikroorganismů: termofilních a mezofilních bakterií. Nejvyšší rychlost anaerobní fermentace nastává v úzkém teplotním rozmezí 50~55°C. Při teplotě fermentace 10 °C po dobu 90 dní je průtok plynu 59 %, ale ke stejnému průtoku při teplotě fermentace 30 °C dochází za 27 dní.

Náhlá změna teploty bude mít významný dopad na produkci bioplynu. Projekt bioplynové stanice musí nutně počítat s řízením takového parametru, jako je teplota. Změny teploty o více než 5°C výrazně snižují výkon bioplynového reaktoru. Pokud by například teplota v bioplynovém reaktoru byla dlouhou dobu 35 °C a poté nečekaně klesla na 20 °C, pak by se výroba bioplynového reaktoru téměř úplně zastavila.

2. Roubovací materiál.

K dokončení fermentace metanu je obvykle zapotřebí určité množství a typ mikroorganismu. Sediment bohatý na metanové mikroby se nazývá roubovaný sediment. V přírodě je rozšířená bioplynová fermentace, rozšířená jsou i místa s očkovacím materiálem. Jsou to: čistírenské kaly, kaly, dnové sedimenty hnojišť, různé čistírenské kaly, zbytky trávicího traktu atd. Díky bohaté organické hmotě a dobrým anaerobním podmínkám tvoří bohatá mikrobiální společenstva.

Osivo přidané poprvé do nového bioplynového reaktoru může výrazně zkrátit období stagnace. V novém bioplynovém reaktoru je nutné ručně přidávat inokulum. Při využití průmyslového odpadu jako suroviny je tomu věnována zvláštní pozornost.

3. Anaerobní prostředí.

Anaerobní prostředí je určeno stupněm anaerobnosti. Obvykle se redoxní potenciál obvykle označuje hodnotou Eh. Za anaerobních podmínek má Eh zápornou hodnotu. U anaerobních metanových bakterií leží Eh v rozmezí -300 ~ -350 mV. Některé bakterie produkující fakultativní kyseliny jsou schopny žít normální život při Eh -100~+100mV.

Pro zajištění anaerobních podmínek by měly být bioplynové reaktory postaveny těsně uzavřené, aby byla zajištěna vodotěsnost a žádné úniky. U velkých průmyslových bioplynových reaktorů je hodnota Eh vždy řízena. U malých farmářských bioplynových reaktorů je problém kontrolovat tuto hodnotu kvůli nutnosti nákupu drahého a složitého zařízení.

4. Kontrola kyselosti média (pH) v bioplynovém reaktoru.

Methanogeny potřebují rozmezí pH ve velmi úzkém rozmezí. Průměrné pH=7. Fermentace probíhá v rozmezí pH od 6,8 do 7,5. Regulace pH je k dispozici pro malé bioplynové reaktory. Mnoho farmářů k tomu používá jednorázové lakmusové papírové proužky. Ve velkých podnicích se často používají elektronická zařízení pro kontrolu pH. Za normálních okolností je rovnováha fermentace metanu přirozený proces, obvykle bez úpravy pH. Pouze v některých případech špatného hospodaření se objeví masivní hromadění těkavých kyselin, snížení pH.

Opatření ke zmírnění účinků zvýšené kyselosti pH jsou:

(1) Vyměňte část média v bioplynovém reaktoru a tím zřeďte obsah těkavých kyselin. Tím se zvýší pH.

(2) Přidejte popel nebo čpavek ke zvýšení pH.

(3) Upravte pH vápnem. Toto opatření je zvláště účinné v případech ultravysokých hladin kyselin.

5. Míchání média v bioplynovém reaktoru.

V konvenčním fermentačním tanku fermentace obvykle rozděluje médium do čtyř vrstev: vrchní kůra, supernatant, aktivní vrstva a vrstva kalu.

Účel míchání:

1) přemístění aktivních bakterií do nové části primárních surovin, zvýšení kontaktní plochy mikrobů a surovin pro urychlení tempa výroby bioplynu, zvýšení efektivity využití surovin.

2) zamezení tvorby silné vrstvy kůry, která vytváří odpor proti uvolňování bioplynu. Míchání je zvláště náročné u takových surovin, jako jsou: sláma, plevel, listí atd. V silné vrstvě kůry jsou vytvořeny podmínky pro hromadění kyseliny, což je nepřijatelné.

Způsoby míchání:

1) mechanické míchání koly různých typů instalovaných uvnitř pracovního prostoru bioplynového reaktoru.

2) smíchání s bioplynem odebraným z horní části bioreaktoru a přiváděným do spodní části s přetlakem.

3) míchání oběhovým hydraulickým čerpadlem.

6. Poměr uhlíku k dusíku.

Efektivní fermentaci podporuje pouze optimální poměr živin. Hlavním ukazatelem je poměr uhlíku k dusíku (C:N). Optimální poměr je 25:1. Četné studie prokázaly, že optimální limity poměru jsou 20-30:1 a produkce bioplynu je výrazně snížena při poměru 35:1. Experimentální studie ukázaly, že fermentace bioplynu je možná při poměru uhlíku k dusíku 6:1.

7. Tlak.

Metanové bakterie se mohou přizpůsobit vysokým hydrostatickým tlakům (asi 40 metrů nebo více). Jsou však velmi citlivé na změny tlaku a kvůli tomu je potřeba stabilní tlak (žádné náhlé poklesy tlaku). K výrazným změnám tlaku může dojít v případech: výrazného zvýšení spotřeby bioplynu, relativně rychlého a velkého zatěžování bioreaktoru primárními surovinami nebo obdobného vykládání reaktoru z ložisek (čištění).

Způsoby stabilizace tlaku:

2) dodávky čerstvých primárních surovin a čištění by měly být prováděny současně a stejnou rychlostí vypouštění;

3) instalace plovoucích krytů na bioplynový reaktor umožňuje udržovat relativně stabilní tlak.

8. Aktivátory a inhibitory.

Některé látky po přidání malého množství zlepšují výkon bioplynového reaktoru, takové látky jsou známé jako aktivátory. Zatímco jiné látky přidávané v malých množstvích vedou k výrazné inhibici procesů v bioplynovém reaktoru, takové látky se nazývají inhibitory.

Je známo mnoho typů aktivátorů, včetně některých enzymů, anorganických solí, organických a anorganických látek. Například přidání určitého množství enzymu celulázy značně usnadňuje produkci bioplynu. Přídavek 5 mg/kg vyšších oxidů (R 2 O 5) může zvýšit produkci plynu o 17 %. Průtok bioplynu pro primární suroviny ze slámy apod. lze výrazně zvýšit přidáním hydrogenuhličitanu amonného (NH 4 HCO 3). Aktivátory jsou také aktivní uhlí nebo rašelina. Přivádění vodíku do bioreaktoru může dramaticky zvýšit produkci metanu.

Inhibitory se týkají především některých sloučenin kovových iontů, solí, fungicidů.

Klasifikace fermentačních procesů.

Metanová fermentace je přísně anaerobní fermentace. Fermentační procesy jsou rozděleny do následujících typů:

Klasifikace podle teploty fermentace.

Lze rozdělit na "přirozenou" teplotu kvašení (kvašení s proměnnou teplotou), v tomto případě je teplota kvašení asi 35°C a proces s vysoká teplota fermentace (asi 53 °C).

Diferenciální klasifikace.

Podle diferenciální fermentace lze rozdělit na jednostupňovou fermentaci, dvoustupňovou fermentaci a vícestupňovou fermentaci.

1) Jednostupňová fermentace.

patří k nejvíce obecný typ kvašení. To platí pro zařízení, ve kterých dochází současně k produkci kyselin a metanu. Jednostupňová fermentace může být z hlediska BSK (biologická spotřeba kyslíku) méně účinná než dvou a vícestupňová fermentace.

2) Dvoustupňová fermentace.

Na bázi oddělené fermentace kyselin a metanogenních mikroorganismů. Tyto dva typy mikrobů mají odlišnou fyziologii a nutriční požadavky, existují významné rozdíly v růstu, metabolických vlastnostech a dalších aspektech. Dvoustupňová fermentace může výrazně zlepšit výtěžnost bioplynu a rozklad těkavých mastných kyselin, zkrátit fermentační cyklus, přinést výrazné úspory provozních nákladů, účinně odstranit organické znečištění z odpadu.

3) Vícestupňová fermentace.

Používá se pro primární suroviny bohaté na celulózu v následujícím pořadí:

(1) Proveďte hydrolýzu celulózového materiálu v přítomnosti kyselin a zásad. Vyrábí se glukóza.

(2) Aplikujte inokulum. Obvykle se jedná o aktivní kal nebo odpadní vodu z bioplynového reaktoru.

(3) Vytvořit vhodné podmínky pro produkci kyselých bakterií (produkující těkavé kyseliny): pH=5,7 (ale ne více než 6,0), Eh=-240mV, teplota 22°C. V této fázi vznikají takové těkavé kyseliny: octová, propionová, máselná, izomáselná.

(4) Vytvořte vhodné podmínky pro produkci metanových bakterií: pH=7,4-7,5, Eh=-330mV, teplota 36-37°C

Klasifikace podle periodicity.

Technologie fermentace se dělí na vsádkovou fermentaci, kontinuální fermentaci, polokontinuální fermentaci.

1) Periodická fermentace.

Suroviny a roubovací materiál jsou vkládány do bioplynového reaktoru najednou a podrobeny fermentaci. Tato metoda se používá při potížích a nepříjemnostech při nakládání primárních surovin a také při vykládání odpadu. Například ne drcenou slámu nebo velkorozměrové brikety z organického odpadu.

2) Kontinuální fermentace.

To zahrnuje případy, kdy se do bioreaktoru několikrát denně nakládají suroviny a odstraňují se odpadní vody z fermentace.

3) Polokontinuální fermentace.

To se týká bioplynových reaktorů, u kterých se považuje za normální čas od času přidávat různé suroviny v nestejném množství. Takové technologické schéma nejčastěji používají malé farmy v Číně a je spojeno se zvláštnostmi zemědělského hospodaření. funguje. Bioplynové reaktory pro semikontinuální fermentaci mohou mít různé konstrukční rozdíly. Tyto struktury jsou diskutovány níže.

Schéma č. 1. Bioplynový reaktor s pevným víkem.

Konstrukční prvky: kombinace fermentační komory a skladu bioplynu v jedné budově: suroviny kvasí ve spodní části; v horní části je uložen bioplyn.

Princip fungování:

Bioplyn vystupuje z kapaliny a shromažďuje se pod krytem bioplynového reaktoru v jeho kopuli. Tlak bioplynu je vyvážen hmotností kapaliny. Čím větší je tlak plynu, tím více kapaliny opouští fermentační komoru. Čím nižší je tlak plynu, tím více kapaliny vstupuje do fermentační komory. Během provozu bioplynového reaktoru je v něm vždy kapalina a plyn. Ale v různých poměrech.

Schéma č. 2. Bioplynový reaktor s plovoucím víkem.

Schéma č. 3. Bioplynový reaktor s pevným víkem a externím zásobníkem plynu.

Konstrukční vlastnosti: 1) místo plovoucího krytu má samostatně zabudovanou nádrž na plyn; 2) výstupní tlak bioplynu je konstantní.

Výhody schématu č. 3: 1) ideální pro provoz bioplynových hořáků, které striktně vyžadují určitý jmenovitý tlak; 2) s nízkou fermentační aktivitou v bioplynovém reaktoru je možné zajistit spotřebiteli stabilní a vysoký tlak bioplynu.

Směrnice pro stavbu domácího bioplynového reaktoru.

GB/T 4750-2002 Domácí bioplynové reaktory.

GB/T 4751-2002 Zajištění kvality domácích bioplynových reaktorů.

GB/T 4752-2002 Pravidla pro stavbu domácích bioplynových reaktorů.

GB 175 -1999 portlandský cement, obyčejný portlandský cement.

GB 134-1999 Portlandský struskový cement, vulkanický tufový cement a popílkový cement.

GB 50203-1998 Stavba zdiva a přejímka.

JGJ52-1992 Standard kvality pro běžný pískový beton. Testovací metody.

JGJ53-1992 Standard kvality pro běžný drcený kámen nebo štěrkový beton. Testovací metody.

JGJ81 -1985 Mechanické vlastnosti obyčejného betonu. Testovací metoda.

JGJ/T 23-1992 Technická specifikace pro testování pevnosti betonu při odskoku v tlaku.

JGJ70 -90 Minomet. Zkušební metoda pro základní charakteristiky.

GB 5101-1998 Cihly.

GB 50164-92 Kontrola kvality betonu.

Vzduchotěsný.

Konstrukce bioplynového reaktoru poskytuje vnitřní tlak 8000 (nebo 4000 Pa). Stupeň úniku po 24 hodinách je menší než 3 %.

Jednotka produkce bioplynu na objem reaktoru.

Pro uspokojivé podmínky výroby bioplynu se považuje za normální, když se na metr krychlový objemu reaktoru vyrobí 0,20-0,40 m 3 bioplynu.

Normální objem uskladnění plynu je 50 % denní produkce bioplynu.

Bezpečnostní faktor ne menší než K=2,65.

Běžná životnost je minimálně 20 let.

Živé zatížení 2 kN/m 2 .

Hodnota únosnosti základové konstrukce je minimálně 50 kPa.

Plynové nádrže jsou konstruovány pro tlak nejvýše 8000 Pa a s plovoucím krytem pro tlak nejvýše 4000 Pa.

Maximální tlakový limit pro bazén není vyšší než 12000 Pa.

Minimální tloušťka obloukového oblouku reaktoru není menší než 250 mm.

Maximální zatížení reaktoru je 90 % jeho objemu.

Konstrukce reaktoru počítá s přítomností místa pod krytem reaktoru pro flotaci plynu, což je 50 % denní produkce bioplynu.

Objem reaktoru je 6 m 3 , průtok plynu je 0,20 m 3 /m 3 /d.

Podle těchto výkresů je možné postavit reaktory o objemu 4 m 3, 8 m 3, 10 m 3 . K tomu je nutné použít korekční rozměrové hodnoty uvedené v tabulce na výkresech.

Příprava výstavby bioplynového reaktoru.

Volba typu bioplynového reaktoru závisí na množství a vlastnostech fermentované suroviny. Výběr navíc závisí na místních hydrogeologických a klimatických podmínkách a na úrovni technologie výstavby.

Bioplynový reaktor pro domácnost by měl být umístěn v blízkosti toalet a místností pro hospodářská zvířata ve vzdálenosti maximálně 25 metrů. Umístění bioplynového reaktoru by mělo být po větru a slunečné na pevné zemi s nízkou hladinou podzemní vody.

Pro výběr konstrukce bioplynového reaktoru použijte níže uvedené tabulky spotřeby stavebního materiálu.

Tabulka3. Materiálové měřítko pro prefabrikovaný betonový panelový bioplynový reaktor

		Objem reaktoru, m3
		4	6	8	10
	Objem, m3	1,828	2,148	2,508	2,956
	Cement, kg	523	614	717	845
	Písek, m 3	0,725	0,852	0,995	1,172
	Štěrk, m 3	1,579	1,856	2,167	2,553
	Objem, m3	0,393	0,489	0,551	0,658
	Cement, kg	158	197	222	265
	Písek, m 3	0,371	0,461	0,519	0,620
cementová pasta	Cement, kg	78	93	103	120
Celkové množství materiálu	Cement, kg	759	904	1042	1230
	Písek, m 3	1,096	1,313	1,514	1,792
	Štěrk, m 3	1,579	1,856	2,167	2,553

Tabulka4. Materiálové měřítko pro prefabrikovaný betonový bioplynový reaktor

		Objem reaktoru, m3
		4	6	8	10
	Objem, m3	1,540	1,840	2,104	2,384
	Cement, kg	471	561	691	789
	Písek, m 3	0,863	0,990	1,120	1,260
	Štěrk, m 3	1,413	1,690	1,900	2,170
Omítnutí prefabrikované karoserie	Objem, m3	0,393	0,489	0,551	0,658
	Cement, kg	158	197	222	265
	Písek, m 3	0,371	0,461	0,519	0,620
cementová pasta	Cement, kg	78	93	103	120
Celkové množství materiálu	Cement, kg	707	851	1016	1174
	Písek, m 3	1,234	1,451	1,639	1,880
	Štěrk, m 3	1,413	1,690	1,900	2,170
Ocelové materiály	Průměr ocelové tyče 12 mm, kg	14	18,98	20,98	23,00
Ocelové materiály	Průměr ocelové výztuže 6,5 mm, kg	10	13,55	14,00	15,00

Tabulka5. Stupnice materiálů pro bioplynový reaktor z litého betonu

		Objem reaktoru, m3
		4	6	8	10
	Objem, m3	1,257	1,635	2,017	2,239
	Cement, kg	350	455	561	623
	Písek, m 3	0,622	0,809	0,997	1,107
	Štěrk, m 3	0,959	1,250	1,510	1,710
Omítnutí prefabrikované karoserie	Objem, m3	0,277	0,347	0,400	0,508
	Cement, kg	113	142	163	208
	Písek, m 3	0,259	0,324	0,374	0,475
cementová pasta	Cement, kg	6	7	9	11
Celkové množství materiálu	Cement, kg	469	604	733	842
	Písek, m 3	0,881	1,133	1,371	1,582
	Štěrk, m 3	0,959	1,250	1,540	1,710

Tabulka6. Symboly na výkresech.

Popis	Označení na výkresech
Materiály:
Shtruba (příkop v zemi)









Symboly:

Odkaz na výkres dílu. Horní číslo označuje číslo dílu. Spodní číslo označuje číslo výkresu s podrobným popisem dílu. Pokud je místo spodní číslice uvedeno znaménko „-“, znamená to Detailní popis detaily jsou znázorněny na tomto výkresu.


Detailní střih. Tučné čáry označují rovinu řezu a směr pohledu a čísla označují identifikační číslořez.
Šipka ukazuje poloměr. Čísla za písmenem R označují hodnotu poloměru.



Běžný:



V souladu s tím hlavní poloosa a krátká osa elipsoidu
Délka

Návrhy bioplynových reaktorů.

Zvláštnosti:

Typ konstrukčního prvku hlavního bazénu.

Dno má sklon od vtokového okna k výstupnímu oknu. Tím je zajištěna tvorba neustále se pohybujícího proudu. Na výkresech č. 1-9 jsou znázorněny tři typy konstrukcí bioplynových reaktorů: typ A, typ B, typ C.

Bioplynový reaktor typu A: Nejjednodušší uspořádání. Odvod kapalné látky je zajištěn pouze výstupním okénkem tlakovou silou bioplynu uvnitř fermentační komory.

Bioplynový reaktor typ B: Hlavní nádrž je vybavena svislým potrubím uprostřed, kterým lze za provozu podle potřeby provádět přívod nebo odvod kapalné látky. Kromě toho má tento typ bioplynového reaktoru pro vytvoření toku látky vertikálním potrubím reflexní (deflektorovou) přepážku na dně hlavního bazénu.

Bioplynový reaktor typu C: Má podobnou konstrukci jako reaktor typu B. Je však vybaven jednoduchým pístovým ručním čerpadlem instalovaným v centrálním vertikálním potrubí a dalšími přepážkami na dně hlavního bazénu. Tyto konstrukční vlastnosti umožňují díky jednoduchosti expresních zkoušek efektivně řídit parametry hlavních technologických procesů v hlavním bazénu. A také využít bioplynový reaktor jako dárce bioplynových bakterií. V reaktoru tohoto typu dochází k úplnější difúzi (promíchání) substrátu, což zase zvyšuje výtěžek bioplynu.

Fermentační vlastnosti:

Proces spočívá ve výběru roubovacího materiálu; příprava primárních surovin (úprava hustoty vodou, úprava kyselosti, zavedení roubovacího materiálu); fermentace (kontrola míchání substrátu a teploty).

Jako fermentační materiál se používají lidské výkaly, hnůj hospodářských zvířat, ptačí trus. Při kontinuálním procesu vyhnívání se vytvářejí relativně stabilní podmínky pro efektivní provoz bioplynového reaktoru.

Principy designu.

Dodržování systému „trojice“ (bioplyn, záchod, stodola). Bioplynový reaktor je vertikální válcová nádrž. Výška válcové části je H=1m. Horní část nádrže má klenutou klenbu. Poměr výšky klenby k průměru válcové části f 1 /D=1/5. Dno má sklon od vstupního okna k výstupnímu. Úhel sklonu 5 stupňů.

Konstrukce tanku zajišťuje uspokojivé podmínky kvašení. K pohybu substrátu dochází gravitací. Systém pracuje na plnou kapacitu nádrže a řídí se dobou zdržení surovin zvýšením produkce bioplynu. Bioplynové reaktory typu B a C mají další zařízení pro zpracování substrátu.

Naplnění nádrže surovinami nemusí být kompletní. To snižuje kapacitu plynu bez obětování účinnosti.

Nízká cena, snadná obsluha, široká distribuce.

Popis stavebních materiálů.

Materiál stěn, dna, oblouku bioplynového reaktoru je beton.

Čtvercové části, jako je přívodní kanál, mohou být vyrobeny z cihel. Betonové konstrukce mohou být vyrobeny litím betonové směsi, ale mohou být vyrobeny z prefabrikovaných betonových prvků (jako jsou: kryt vstupního okna, klec proti bakteriím, středová trubka). Klec pro bakterie je kruhového průřezu a skládá se z netopýra vaječná skořápka umístěna do copu.

Posloupnost stavebních operací.

Způsob odlévání bednění je následující. Na zemi se vytyčuje obrys budoucího bioplynového reaktoru. Půda je odstraněna. Nejprve se nalije dno. Ve spodní části je instalováno bednění pro zalití skruže betonem. Stěny jsou vylévány pomocí bednění a poté obloukové klenby. Bednění může být ocelové, dřevěné nebo cihlové. Plnění se provádí symetricky a pro pevnost se používají pěchovací zařízení. Přebytečný tekoucí beton se odstraní špachtlí.

Stavební výkresy.

Stavba je provedena dle výkresů č. 1-9.

Nákres 1. Bioplynový reaktor 6 m 3 . Typ A:

Nákres 2. Bioplynový reaktor 6 m 3 . Typ A:

Stavba bioplynových reaktorů z prefabrikovaných betonových desek je pokročilejší stavební technologií. Tato technologie je dokonalejší díky snadné implementaci rozměrové přesnosti, zkrácení času a nákladů na stavbu. Hlavním rysem konstrukce je to, že hlavní prvky reaktoru (klenutá střecha, stěny, kanály, kryty) jsou vyráběny daleko od místa instalace, poté jsou přepravovány na místo instalace a smontovány na místě ve velké jámě. Při montáži takového reaktoru je kladen důraz na přizpůsobení přesnosti instalace vodorovně a svisle a také na hustotu tupých spojů.

Nákres 13. Bioplynový reaktor 6 m 3 . Podrobnosti o bioplynovém reaktoru ze železobetonových desek: