Kako dobiti bioplin iz gnojnice: pregled osnovnih principa i uređaja postrojenja za proizvodnju

Poljoprivredna gospodarstva svake se godine suočavaju s problemom zbrinjavanja gnojnice. Znatna sredstva potrebna za organizaciju njezina odvoza i odlaganja odlaze u nepovrat. Međutim, postoji način koji ne samo da štedi novac, već i omogućuje da taj prirodni proizvod služi u korisne svrhe.

Štedljivi gospodari već dugo u praksi koriste ekotehnologiju koja omogućuje dobivanje bioplina iz gnojnice i korištenje rezultata kao goriva.

Stoga ćemo u našem materijalu govoriti o tehnologiji dobivanja bioplina, a također ćemo objasniti kako izgraditi bioenergetsko postrojenje.

Prednosti korištenja biotehnologije

Tehnologija dobivanja biogoriva iz različitih prirodnih izvora nije nova. Istraživanja u ovom području započela su još krajem 18. stoljeća i uspješno su se razvijala u 19. stoljeću. U Sovjetskom Savezu prvo bioenergetsko postrojenje izgrađeno je četrdesetih godina prošlog stoljeća.

Biotehnologije se već dugo primjenjuju u mnogim zemljama, ali upravo danas dobivaju posebno značenje. Zbog pogoršanja ekološke situacije na planeti i visoke cijene energenata, mnogi usmjeravaju pogled prema alternativnim izvorima energije i topline.

Tehnologija prerađe gnoja u bioplin omogućuje smanjenje količine štetnih emisija metana u atmosferu i dobivanje dodatnog izvora toplinske energije.

Nesumnjivo, gnoj je vrlo vrijedno gnojivo, i ako na gospodarstvu imate dvije krave, nema problema s njegovom primjenom. Sasvim je drugačije kad je riječ o farmama s velikim i srednjim stočnim fondom, gdje godišnje nastaju tone smrdljivog i trulog biološkog materijala.

Da bi se gnoj pretvorio u kvalitetno gnojivo, potrebne su površine s određenim temperaturnim režimom, a to su dodatni troškovi. Zato mnogi farmeri skladište ga gdje god stignu, a zatim ga odvoze na polja.

Ovisno o količini sirovine koja nastaje dnevno, treba odabrati dimenzije postrojenja i stupanj njegove automatizacije.

Ako se ne poštuju uvjeti skladištenja, iz gnoja ispari do 40% dušika i najveći dio fosfora, što znatno pogoršava njegove kvalitativne pokazatelje. Osim toga, u atmosferu se ispušta plin metan, koji negativno utječe na ekološku situaciju na planeti.

Suvremene biotehnologije omogućuju ne samo neutralizirati štetno djelovanje metana na ekološku situaciju, već i natjerati ga da služi na dobrobit čovjeka, pritom ostvarujući znatnu ekonomsku korist. Kao rezultat prerade gnoja nastaje bioplin, iz kojeg se zatim može dobiti tisuće kW energije, a proizvodni otpad predstavlja vrlo vrijedno anaerobno gnojivo.

Mehanizam nastajanja plina iz organske sirovine

Bioplin je hlapljiva tvar bez boje i ikakva mirisa, koja sadrži do 70% metana. Po svojim kakvoćama približava se tradicionalnoj vrsti goriva – prirodnom plinu. Odlikuje se dobrom ogrjevnom vrijednošću; 1 m³ bioplina oslobađa toliko topline koliko se dobije izgaranjem jednog i pol kilograma ugljena.

Stvaranje bioplina dugujemo anaerobnim bakterijama koje aktivno rade na razgradnji organskih sirovina, a kao sirovina se koriste gnoj domaćih životinja, ptičji izmet i otpad bilo kojih biljaka.

U samostalnoj proizvodnji bioplina može se koristiti ptičji izmet i otpadni proizvodi sitne i krupne stoke. Sirovine se mogu koristiti u čistom obliku ili u obliku mješavine s travom, lišćem, starim papirom.

Za aktiviranje procesa potrebno je stvoriti povoljne uvjete za život bakterija. Oni bi trebali biti slični onima u kojima se mikroorganizmi razvijaju u prirodnom spremniku – u želucu životinja, gdje je toplo i nema kisika.

Upravo su to dva glavna uvjeta koja pridonose čudesnom pretvaranju trule gnojne mase u ekološki čisto gorivo i vrijedna gnojiva.

Za dobivanje bioplina potreban je hermetički reaktor bez pristupa zraka, gdje će se odvijati proces vrenja gnoja i njegove razgradnje na sastavne dijelove:

• metan (do 70%);
• ugljični dioksid (otprilike 30%);
• druge plinovite tvari (1-2%).

Nastali plinovi podižu se prema vrhu spremnika, odakle se zatim ispumpavaju, a na dnu se taloži preostali proizvod – visokokvalitetno organsko gnojivo koje je zadržalo sve vrijedne tvari prisutne u gnoju – dušik i fosfor, i izgubilo značajan dio patogenih mikroorganizama.

Reaktor za dobivanje bioplina mora imati potpuno hermetičku konstrukciju u kojoj nema kisika, inače će proces razgradnje gnoja teći izuzetno sporo.

Drugi važan uvjet za učinkovitu razgradnju gnoja i stvaranje bioplina jest održavanje temperature. Bakterije koje sudjeluju u procesu aktiviraju se na temperaturi od +30 stupnjeva.

Pritom gnoj sadrži dvije vrste bakterija:

• Mezofilne. Njihova životna aktivnost odvija se pri temperaturi +30 – +40 stupnjeva;
• Termofilne. Za njihovo razmnožavanje potrebno je održavati temperaturni režim od +50 (+60) stupnjeva.

Vrijeme prerade sirovine u postrojenjima prvog tipa ovisi o sastavu smjese i iznosi od 12 do 30 dana. Pritom 1 litra korisne površine reaktora daje 2 litre biogoriva. Pri korištenju postrojenja drugog tipa vrijeme proizvodnje konačnog proizvoda skraćuje se na tri dana, a količina bioplina povećava se na 4,5 litre.

Učinkovitost termofilnih postrojenja vidljiva je golim okom, no i cijena njihovog održavanja vrlo je visoka, stoga prije nego što odaberete jedan ili drugi način dobivanja bioplina, potrebno je vrlo pažljivo sve izračunati.

Unatoč tome što je učinkovitost termofilnih postrojenja desetke puta veća, primjenjuju se mnogo rjeđe, budući da je održavanje visokih temperatura u reaktoru povezano s velikim troškovima.

Održavanje i troškovi postrojenja mezofilnog tipa jeftiniji su, stoga većina poljoprivrednih gospodarstava za dobivanje bioplina koristi upravo njih.

Bioplin prema kriterijima energetskog potencijala neznatno zaostaje za uobičajenim plinskim gorivom. Međutim, u njegovom sastavu ima sumpornih isparenja čiju prisutnost treba uzeti u obzir pri odabiru materijala za izgradnju postrojenja.

Izračuni učinkovitosti primjene bioplina

Jednostavni izračuni pomoći će vam da procijenite sve prednosti korištenja alternativnog biogoriva. Jedna krava teška 500 kg dnevno proizvede otprilike 35-40 kg gnoja. Te količine dovoljne su za dobivanje oko 1,5 m³ bioplina, iz kojeg se pak može proizvesti 3 kWh električne energije.

Koristeći podatke iz tablice, nije teško izračunati koliko se m³ bioplina može dobiti kao izlaz u skladu s postojećim stokom na poljoprivrednom gospodarstvu.

Za dobivanje biogoriva može se koristiti jedna vrsta organske sirovine ili mješavine od nekoliko komponenata koje imaju vlažnost 85-90%. Važno je da ne sadrže strane kemijske primjese koje negativno utječu na proces prerade.

Najjednostavniji recept smjese osmislio je još 2000. godine jedan ruski seljak iz Lipetske oblasti, koji je vlastitim rukama izgradio najjednostavnije postrojenje za dobivanje bioplina. On je miješao 1500 kg kravljeg gnoja s 3500 kg otpada raznih biljaka, dodavao vodu (otprilike 65% težine svih sastojaka) i zagrijavao smjesu do 35 stupnjeva.

Za dva tjedna besplatno gorivo je spremno. Ova mala jedinica proizvodila je 40 m³ plina dnevno, što je bilo sasvim dovoljno za grijanje kuće i gospodarskih zgrada tijekom pola godine.

Vrste postrojenja za dobivanje biogoriva

Nakon provedenih izračuna potrebno je odlučiti kako napraviti jedinicu za dobivanje bioplina u skladu s potrebama svog gospodarstva. Ako je stoka malobrojna, odgovarat će najjednostavnija inačica koju nije teško izraditi vlastitim rukama od dostupnih materijala.

Velikim poljoprivrednim gospodarstvima koja imaju stalan izvor velikih količina sirovina preporučljivo je izgraditi industrijski automatizirani bioplinski sustav. U tom se slučaju teško može proći bez angažiranja stručnjaka koji će razviti projekt i montirati jedinicu na profesionalnoj razini.

Na shemi je jasno prikazano kako radi industrijski automatizirani kompleks za proizvodnju bioplina. Izgradnju takve veličine moguće je organizirati za nekoliko susjednih poljoprivrednih gospodarstava koja se nalaze u blizini.

Danas postoje deseci tvrtki koje mogu ponuditi brojne opcije: od gotovih rješenja do razvoja individualnog projekta. Radi smanjenja troškova izgradnje moguće je udružiti se sa susjednim gospodarstvima (ako ih ima u blizini) i izgraditi jednu zajedničku jedinicu za proizvodnju bioplina.

Treba uzeti u obzir da je za izgradnju čak i male jedinice potrebno pripremiti odgovarajuće dokumente, izraditi tehnološku shemu, plan rasporeda opreme i ventilacije (ako se oprema postavlja u zatvorenom prostoru), proći postupke usklađivanja sa sanitarnom službom, vatrogasnom i plinskom inspekcijom.

Mini-postrojenje za proizvodnju plina za potrebe malog privatnog gospodarstva može se izraditi samostalno, oslanjajući se na konstrukciju i specifičnosti uređaja jedinica koje se proizvode u industrijskim razmjerima.

Konstrukcije jedinica za preradu gnoja i biljnih organskih tvari u bioplin nisu složene. Industrijska originalna jedinica poslužit će kao predložak za izgradnju vlastitog mini-postrojenja.

Samostalni majstori koji su odlučili izgraditi vlastitu jedinicu trebaju se opskrbiti spremnikom za vodu, plastičnim cijevima za vodovod ili kanalizaciju, koljenastim spojevima, brtvama i spremnikom za pohranu plina proizvedenog u jedinici.

Osobitosti bioplinskog sustava

Potpuna bioplinska postrojenje predstavlja složen sustav koji se sastoji od:

1. Bioreaktora u kojem se odvija proces razgradnje gnoja;
2. Automatiziranog sustava za dovod organskog otpada;
3. Uređaja za miješanje biomase;
4. Opreme za održavanje optimalne temperature;
5. Plinskog spremnika – spremnika za skladištenje plina;
6. Prihvatnika obrađenog krutog otpada.

Svi navedeni elementi ugrađuju se u industrijska postrojenja koja rade automatski. Kućanski reaktori obično imaju jednostavniju konstrukciju.

Na shemi su prikazani glavni sastavni dijelovi automatiziranog bioplinskog sustava. Volumen reaktora ovisi o dnevnom unosu organske sirovine. Za potpuno funkcioniranje postrojenja reaktor mora biti napunjen do dvije trećine volumena.

Princip rada postrojenja

Glavni element sustava je bioreaktor. Postoji nekoliko mogućnosti njegove izvedbe, glavno je osigurati nepropusnost konstrukcije i spriječiti ulazak kisika. Može biti izveden u obliku metalnog spremnika različitog oblika (češće cilindričnog), smještenog na površini. Često se za te svrhe koriste prazne 50-kubične cisterne za gorivo.

Možete nabaviti gotove spremnike rastavljive konstrukcije. Njihova prednost je mogućnost brzog rastavljanja i, po potrebi, prijevoza na drugo mjesto. Industrijske površinske instalacije preporučljivo je koristiti u velikim gospodarstvima gdje postoji stalan dotok velike količine organskih sirovina.

Za manja imanja prikladnija je opcija podzemnog smještaja spremnika. Podzemni bunker gradi se od opeke ili betona. Moguće je zakopati u zemlju gotove spremnike, na primjer, bačve od metala, nehrđajućeg čelika ili PVC-a. Također je moguće njihovo površinsko postavljanje na otvorenom ili u posebno određenoj prostoriji s dobrom ventilacijom.

Za izradu postrojenja za proizvodnju bioplina možete nabaviti gotove spremnike od PVC-a i instalirati ih u prostoriji opremljenoj ventilacijskim sustavom.

Bez obzira na to gdje i kako je reaktor smješten, opskrbljen je spremnikom za utovar stajnjaka. Prije utovara sirovine, ona mora proći pripremu: usitnjava se na frakcije ne veće od 0,7 mm i razrjeđuje vodom. Idealno, vlažnost supstrata trebala bi biti oko 90%.

Automatizirana postrojenja industrijskog tipa opremljena su sustavom za dovod sirovine koji uključuje prijemnik u kojem se smjesa dovodi do potrebne vlažnosti, cjevovod za dovod vode i crpnu stanicu za prebacivanje mase u bioreaktor.

U kućnim postrojenjima za pripremu supstrata koriste se zasebni spremnici u kojima se otpad usitnjava i miješa s vodom. Zatim se masa utovaruje u prijemni odjeljak. U reaktorima smještenim pod zemljom, spremnik za prijem supstrata izvodi se van, a pripremljena smjesa gravitacijom kroz cjevovod ulazi u komoru za fermentaciju.

Ako je reaktor postavljen na tlu ili u prostoriji, ulazna cijev s prijemnim uređajem može se nalaziti na donjem bočnom dijelu spremnika. Također je moguće izvesti cijev u gornji dio i na njezin otvor staviti nastavak. U tom slučaju biomasu će trebati dovoditi pomoću crpke.

U bioreaktoru je također potrebno predvidjeti izlazni otvor koji se izrađuje praktički na dnu spremnika s suprotne strane od ulaznog spremnika. Kod podzemnog smještaja izlazna cijev se postavlja koso prema gore i vodi do prijemnika za otpad koji oblikom podsjeća na pravokutni sanduk. Njegov gornji rub trebao bi biti ispod razine ulaznog otvora.

Ulazna i izlazne cijevi postavljene su koso prema gore na različitim stranama spremnika, pri čemu kompenzacijski spremnik u koji otpad ulazi mora biti niži od prijemnog spremnika.

Proces teče na sljedeći način: ulazni spremnik prima novu seriju supstrata, koja otječe u reaktor, istovremeno se ista količina istrošene mase kroz cijev podiže u prijemnik za otpad, odakle se dalje crpi i koristi kao visokokvalitetno biognojivo.

Skladištenje bioplina odvija se u spremniku za plin. Najčešće se nalazi izravno na krovu reaktora i ima oblik kupole ili stošca. Izrađuje se od krovnog željeza, a zatim se, kako bi se spriječili korozijski procesi, boji s nekoliko slojeva uljane boje.

U industrijskim postrojenjima namijenjenima za dobivanje velike količine plina, spremnik za plin često se izvodi kao zasebni spremnik spojen s reaktorom cjevovodom.

Plin dobiven fermentacijom nije prikladan za upotrebu jer sadrži veliku količinu vodene pare i u takvom obliku neće gorjeti. Kako bi se očistio od frakcija vode, plin se propušta kroz vodeni zatvarač. U tu svrhu iz spremnika za plin izvodi se cijev kroz koju bioplin ulazi u spremnik s vodom, a odatle se plastičnom ili metalnom cijevi dovodi potrošačima.

Shema postrojenja smještenog pod zemljom. Ulazni i izlazni otvori moraju se nalaziti na suprotnim stranama spremnika. Iznad reaktora nalazi se vodeni zatvarač kroz koji se propušta dobiveni plin radi sušenja.

U nekim se slučajevima za skladištenje plina koriste posebne vreće-spremnici izrađene od polivinil klorida. Vreće se postavljaju pored postrojenja i postupno se pune plinom. Kako se pune, elastični materijal se napuhuje, a volumen vreća se povećava, omogućujući po potrebi privremeno očuvanje veće količine konačnog proizvoda.

Uvjeti za učinkovit rad bioreaktora

Za učinkovit rad postrojenja i intenzivno oslobađanje bioplina potrebna je ravnomjerna fermentacija organskog supstrata. Smjesa mora biti u stalnom pokretu. U protivnom na njoj se stvara kora, proces razgradnje se usporava, te se na kraju dobiva manje plina nego što je prvotno predviđeno.

Kako bi se osiguralo aktivno miješanje biomase, u gornjem ili bočnom dijelu tipičnog reaktora ugrađuju se mješalice potopnog ili kosog tipa, opremljene električnim pogonom. U postrojenjima kućne izrade miješanje se obavlja mehanički pomoću uređaja koji nalikuje kućnom mikseru. Njime se može upravljati ručno ili ga opremiti električnim pogonom.

Kod vertikalnog položaja reaktora ručica mješalice izvodi se u gornji dio postrojenja. Ako je spremnik postavljen vodoravno, puž se također nalazi u vodoravnoj ravnini, a ručka se nalazi sa strane bioreaktora.

Jedan od najvažnijih uvjeta za dobivanje bioplina je održavanje potrebnog temperaturnog režima u reaktoru. Grijanje se može provesti na nekoliko načina. U stacionarnim postrojenjima koriste se automatizirani sustavi grijanja koji se uključuju kada temperatura padne ispod zadane razine i isključuju kada se postigne potreban temperaturni režim.

Za grijanje se mogu koristiti plinski kotlovi, provoditi izravno grijanje električnim grijaćim uređajima ili ugraditi grijaći element u podnožje spremnika.

Kako bi se smanjili gubici topline, preporučuje se izgraditi mali okvir sa slojem staklene vune oko reaktora ili pokriti postrojenje toplinskom izolacijom. Dobra toplinska izolacijska svojstva imaju ekspandirani polistiren i njegove druge varijante.

Kako bi se uredio sustav grijanja biomase, može se provesti cjevovod od kućnog grijanja koje se napaja iz reaktora

Određivanje potrebnog obujma

Volumen reaktora određuje se na temelju dnevne količine gnoja koja se proizvodi na gospodarstvu. Također je potrebno uzeti u obzir vrstu sirovine, temperaturni režim i vrijeme fermentacije. Kako bi postrojenje pravilno radilo, spremnik se puni do 85-90% volumena, a najmanje 10% mora ostati slobodno za izlaz plina.

Proces razgradnje organske tvari u mezofilnom postrojenju pri prosječnoj temperaturi od 35 stupnjeva traje od 12 dana, nakon čega se fermentirani ostaci uklanjaju, a reaktor puni novom količinom supstrata. Budući da se otpad prije slanja u reaktor razrjeđuje vodom do 90%, količinu tekućine također treba uzeti u obzir pri određivanju dnevnog opterećenja.

Na temelju navedenih pokazatelja, volumen reaktora bit će jednak dnevnoj količini pripremljenog supstrata (gnoj s vodom) pomnoženoj s 12 (vrijeme potrebno za razgradnju biomase) i uvećanoj za 10% (slobodni volumen spremnika).

Izgradnja podzemnog objekta

Sada ćemo govoriti o najjednostavnijem postrojenju koje omogućuje dobivanje bioplina u kućnim uvjetima uz najmanje troškove. Razmotrit ćemo izgradnju podzemnog sustava. Da bismo ga izradili, potrebno je iskopati jamu, njezino dno i zidovi izlijevaju se armiranim keramzitbetonom.

Na suprotnim stranama komore nalaze se ulazni i izlazni otvori u koje se ugrađuju kose cijevi za dovod supstrata i ispumpavanje obrađene mase.

Izlazna cijev promjera približno 7 cm trebala bi se nalaziti gotovo na samom dnu spremnika, a njezin drugi kraj ugrađuje se u kompenzacijski spremnik pravokutnog oblika u koji će se ispumpavati otpad. Cjevovod za dovod supstrata smješten je otprilike 50 cm od dna i ima promjer 25-35 cm. Gornji dio cijevi ulazi u odjeljak za prihvat sirovine.

Reaktor mora biti potpuno hermetičan. Kako bi se isključila mogućnost ulaska zraka, spremnik je potrebno prekriti slojem bitumenske hidroizolacije.

Gornji dio spremnika je plinospremnik kupolastog ili stožastog oblika. Izrađuje se od metalnih limova ili krovnog željeza. Također se konstrukcija može završiti zidanom opekom, koja se zatim oblaže čeličnom mrežom i ožbukava. Na vrhu plinospremnika potrebno je napraviti hermetički poklopac, izvesti plinsku cijev koja prolazi kroz hidraulički zatvarač i ugraditi ventil za ispuštanje tlaka plina.

Za miješanje supstrata može se opremiti postrojenje drenažnim sustavom koji djeluje na principu barbotaže. U tu svrhu unutar konstrukcije okomito učvrstite plastične cijevi tako da im gornji rub bude iznad sloja supstrata. Izbušite u njima mnoštvo rupa. Plin će pod tlakom silaziti prema dolje, a dižući se prema gore, mjehurići plina će miješati biomasu koja se nalazi u spremniku.

Ako ne želite graditi betonski bunker, možete kupiti gotov spremnik od PVC-a. Za očuvanje topline potrebno ga je okružiti slojem toplinske izolacije – polistirenskom pjenom (stiroporom). Dno jame zalijeva se armiranim betonom u sloju od 10 cm. Spremnici od polivinil klorida smiju se koristiti ako volumen reaktora ne prelazi 3 m³.

Zaključci i koristan video na temu

Kako napraviti najjednostavnije postrojenje od obične bačve, saznat ćete ako pogledate video:

Kako se odvija izgradnja podzemnog reaktora, možete pogledati u video prilogu:

Kako se vrši punjenje stajnjaka u podzemno postrojenje prikazano je u sljedećem videu:

Postrojenje za proizvodnju bioplina iz stajnjaka omogućit će značajne uštede na troškovima grijanja i električne energije te usmjeriti organski materijal, kojeg u svakom poljoprivrednom gospodarstvu ima u izobilju, u dobru svrhu. Prije početka izgradnje potrebno je sve pažljivo izračunati i pripremiti.

Najjednostavniji reaktor može se napraviti za nekoliko dana vlastitim rukama, koristeći pri ruci dostupna sredstva. Ako je gospodarstvo veliko, najbolje je kupiti gotovo postrojenje ili se obratiti stručnjacima.

Ako ste se prilikom upoznavanja s prikazanim informacijama zapitali ili imate prijedloge koje želite podijeliti s posjetiteljima web stranice, molimo ostavite komentare u bloku koji se nalazi ispod.