Биогаз и биогазовые установки: состав, выход газа, схемы для дома

Биогаз — это горючий газ, который выделяется при анаэробном (без доступа кислорода) разложении навоза, помёта, растительных и пищевых отходов метанообразующими бактериями. Он на 55–75% состоит из метана и подходит для отопления, газовых плит и электрогенераторов. Простейшую биогазовую установку для дома или фермы можно собрать самостоятельно — ниже разбираем технологию, условия брожения, выход газа из разного сырья и проверенные схемы реакторов.

Владельцам личных подсобных хозяйств и фермерам биогаз интересен вдвойне: сырьё на подворье есть всегда, а переработка навоза решает сразу две задачи — даёт топливо и превращает отходы в качественное органическое удобрение.

Что такое биогаз и из чего его получают

Биогаз — газообразное топливо, продукт анаэробного микробиологического разложения органических веществ. Установка попутно решает три задачи: утилизирует отходы, обеззараживает их (без доступа кислорода гибнет патогенная микрофлора) и выдаёт готовое удобрение — в отвал не идёт ничего.

Сырьём служит практически любая органика, способная бродить в жидком или влажном состоянии:

• навоз крупного рогатого скота, свиней, лошадей;
• птичий помёт;
• ботва, солома, опавшие листья, трава;
• пищевые и кухонные отходы;
• осадки сточных вод и отходы пищевых производств (на промышленных установках).

Газ выделяют метановые бактерии, которые в естественных условиях живут в кишечнике жвачных животных и, следовательно, в навозе. Природный газ, который мы используем в быту, на 90–98% состоит из того же метана — его ещё называют болотным или рудничным газом. Разница в том, что природный газ добывают из недр, а биогаз производят из отходов непрерывно.

Ключевое условие работы бактерий — отсутствие кислорода, который угнетает их жизнедеятельность. Именно поэтому нужна герметичная установка (реактор, или метантанк), где биомасса не контактирует с воздухом.

Состав и теплотворная способность биогаза

Биогаз — это смесь газов:

• метан — 55–75%;
• углекислый газ — 23–33%;
• сероводород — обычно доли процента, до 1–3% при неблагоприятном режиме;
• водяные пары.

Из-за углекислого газа и примесей концентрация метана в биогазе ниже, чем в природном, поэтому и тепла при сжигании он даёт меньше. Низшая теплота сгорания биогаза — примерно 21–25 МДж/м³ (около 5000–6000 ккал/м³) в зависимости от доли метана. Для сравнения: для природного газа ГОСТ 5542-2014 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения» нормирует низшую теплоту сгорания не ниже 31,8 МДж/м³ (7600 ккал/м³). То есть на одну и ту же задачу биогаза потребуется примерно в полтора раза больше по объёму.

По количеству выделяемой энергии 1 м³ биогаза примерно эквивалентен:

• 1,5 кг каменного угля;
• 0,6 кг керосина;
• 3,5 кг дров;
• 12 кг навозных брикетов;
• при сжигании в когенерационной установке — около 2 кВт·ч выработанной электроэнергии.

Условия эффективного метанового брожения

Газ образуется в процессе разложения (ферментации) органических веществ без доступа воздуха, и интенсивность этого процесса зависит от трёх факторов: температуры, влажности сырья и регулярности загрузки. Нарушение любого из них резко снижает выход газа.

В классической технологии процесс делят на две фазы:

1. разложение биомассы (гидролиз и закисление);
2. газификация — собственно выделение биогаза.

В современной классификации выделяют четыре стадии — гидролиз, кислотообразование, ацетогенез и метаногенез, — но для практики важно одно: обе фазы происходят в одном ферментаторе, и главное условие их стабильного протекания — тепло.

Температура и теплоизоляция реактора

Оптимальная температура сбраживаемой массы — 30–32 °C при влажности 90–95% (мезофильный режим). Промышленные установки иногда работают в термофильном режиме 50–55 °C — он быстрее, но требует точного и стабильного подогрева, поэтому для самодельных реакторов не рекомендуется.

При понижении температуры в ферментаторе интенсивность газовыделения падает, так как микробиологические процессы замедляются. Часть тепла выделяется самим процессом разложения, но его недостаточно — надёжная теплоизоляция ферментатора одно из важнейших условий нормальной работы установки. При загрузке навоз рекомендуется смешивать с горячей водой температурой 35–40 °C, а при догрузке свежего сырья потери тепла сводить к минимуму.

Для дополнительного обогрева над куполом можно использовать «тепличный эффект»: деревянный или лёгкий металлический каркас, покрытый полиэтиленовой плёнкой. В средней и северной полосе зимой часть получаемого газа приходится расходовать на подогрев самой сбраживаемой массы — это нужно учитывать при расчёте полезного выхода.

Требования к сырью и режиму загрузки

Основное сырьё для загрузки в ферментатор — навоз. При первой загрузке навоза КРС процесс ферментации длится не менее 20 суток, свиного — не менее 30 суток. Смесь разных компонентов даёт газа больше, чем один вид сырья: например, смесь навоза КРС с птичьим помётом позволяет получить до 70% метана в биогазе.

После стабилизации процесса сырьё загружают ежедневно, но не более 10% от массы, перерабатываемой в ферментаторе. Рекомендуемая влажность сырья: летом 92–95%, зимой 88–90%.

Два практических момента, о которых часто забывают:

• Первый газ не горит. При первом наполнении установки отбираемый газ содержит до 60% углекислоты, поэтому его выпускают в атмосферу. Через 1–3 дня состав стабилизируется, и газ начинает гореть.
• Корку нужно разбивать. На поверхности сырья при брожении образуется корка, которая препятствует выходу газа. Её разрушают перемешиванием — вручную или механической мешалкой.

При ферментации помимо газа происходит обеззараживание органики: отходы избавляются от патогенной микрофлоры и неприятных запахов. Образующийся ил периодически выгружают и используют как удобрение — перегнивание без доступа кислорода уничтожает семена сорняков, а полезные микроэлементы для растений сохраняются. Прибавка урожая на обработанных участках обычно заметна сразу, но единых цифр нет — эффект зависит от культуры, почвы и дозы внесения.

Выход биогаза и примерный расход

Сколько газа даст установка, зависит прежде всего от количества и вида животных на подворье. Ориентировочные суточные объёмы при ферментации экскрементов одного животного приведены в таблице 1.

Таблица 1 — количество газа, получаемого за сутки при ферментации экскрементов одного животного

Животное	Живая масса животного, кг	Получаемый объём газа, м³/сут
КРС	500–600	1,5
Свиньи	80–100	0,2
Курица или кролик	1,5–5	0,015

В тёплую погоду или при искусственном подогреве хорошо работающая установка среднего размера может давать до 8 м³ газа в сутки. Прикинуть, хватит ли этого хозяйству, поможет таблица 2.

Таблица 2 — приблизительные значения расхода биогаза

Применение	Потребность	Объём биогаза, м³/сут
Приготовление пищи	семья 3–4 человека	3–4
Отопление	площадь 50–60 м²	10–11

Из таблиц виден главный практический вывод: одна корова обеспечит газом кухонную плиту, но для полноценного отопления дома нужно либо несколько голов КРС, либо дополнительный источник тепла. Биогаз разумно рассматривать как дополнение к основному отоплению (общие сведения об отоплении смотрите на сайте), а не как его полную замену.

Конструкция малогабаритных биогазовых установок

Базовая установка для получения биогаза конструктивно проста и состоит из пяти элементов: герметичной ёмкости-реактора (ферментатора) с теплоизоляцией, загрузочного и выгрузочного люков, устройства для перемешивания, газоотводящего патрубка и накопителя газа. В простейшем варианте накопителем служит обычная автомобильная камера, а при наличии компрессора газ можно сжимать и закачивать в баллоны.

Простейшая установка с пирамидальным куполом

Рисунок 1 — Схема простейшей биогазовой установки с пирамидальным куполом: 1 — яма для навоза; 2 — канавка-гидрозатвор; 3 — колокол для сбора газа; 4, 5 — патрубок для отвода газа; 6 — манометр.

Согласно приведённым на рисунке 1 размерам оборудуют яму 1 и купол 3. Яму облицовывают железобетонными плитами толщиной 10 см, которые штукатурят цементным раствором и для герметичности покрывают смолой. Из кровельного железа сваривают колокол высотой 3 м, в верхней части которого скапливается биогаз. Для защиты от коррозии колокол периодически красят двумя слоями масляной краски; ещё лучше предварительно покрыть его изнутри свинцовым суриком. В верхней части колокола устанавливают патрубок 4 для отвода биогаза и манометр 5 для измерения его давления. Газоотводящий патрубок 6 можно изготовить из резинового шланга, пластмассовой или металлической трубы.

Вокруг ямы-ферментатора устраивают бетонную канавку — гидрозатвор 2, наполненную водой, в которую погружают нижний бортик колокола на 0,5 м.

Отвод конденсата из газопровода

Рисунок 2 — Устройство для отвода конденсата: 1 — трубопровод для отвода газа; 2 — U-образная труба для конденсата; 3 — конденсат.

Подавать газ, например к кухонной плите, можно по металлическим, пластмассовым или резиновым трубкам. Чтобы зимой трубки не разрывало замерзающим конденсатом, применяют несложное устройство, показанное на рисунке 2: U-образную трубку 2 присоединяют к трубопроводу 1 в самой нижней точке. Высота её свободной части должна быть больше давления биогаза (в мм вод. ст.). Конденсат 3 сливается через свободный конец трубки, при этом утечки газа не происходит.

Установка с коническим куполом

Рисунок 3 — Схема простейшей биогазовой установки с коническим куполом: 1 — яма для навоза; 2 — купол (колокол); 3 — расширенная часть патрубка; 4 — труба для отвода газа; 5 — канавка-гидрозатвор.

В установке, приведённой на рисунке 3, яму 1 диаметром 4 м и глубиной 2 м обкладывают внутри кровельным железом, листы которого плотно сваривают. Внутреннюю поверхность сварного резервуара покрывают смолой для антикоррозионной защиты. С наружной стороны верхней кромки резервуара из бетона устраивают кольцевую канавку 5 глубиной до 1 м, которую заливают водой. В неё свободно устанавливают вертикальную часть купола 2, закрывающую резервуар. В итоге канавка с водой служит гидрозатвором. Биогаз собирается в верхней части купола, откуда через выпускной патрубок 3 и далее по трубопроводу 4 (или шлангу) подаётся к месту использования.

В круглый резервуар загружается около 12 м³ органической массы (желательно свежего навоза), которая заливается жидкой фракцией навоза без добавления воды. Через неделю после заполнения ферментатор начинает работать. Ёмкости 12 м³ достаточно, чтобы обеспечивать газом 2–3 семьи, живущие неподалёку, — такая установка оправдана на подворье, где выращивают бычков или содержат несколько коров.

Варианты исполнения купола и гидрозатвора

Рисунок 4 — Схемы вариантов простейших установок: 1 — подача органических отходов; 2 — ёмкость для органических отходов; 3 — место сбора газа под куполом; 4 — патрубок для отвода газа; 5 — отвод ила; 6 — манометр; 7 — купол из полиэтиленовой плёнки; 8 — водяной затвор и водяное отопление; 9 — груз; 10 — цельносклеенный полиэтиленовый мешок.

Конструктивно-технологические схемы простейших малогабаритных установок приведены на рисунке 4. Стрелками обозначены перемещения исходной массы, газа и ила. Купол может быть жёстким или изготовленным из полиэтиленовой плёнки. Жёсткий купол выполняют с длинной цилиндрической частью для глубокого погружения в перерабатываемую массу (рисунок 4, г) или вставляют в гидравлический затвор (рисунок 4, д). Плёночный купол вставляют в гидрозатвор (рисунок 4, е) или изготавливают в виде цельносклеенного большого мешка (рисунок 4, ж). В последнем исполнении на мешок укладывают груз 9, чтобы плёнка не раздувалась и под ней поддерживалось достаточное давление.

Газ, собирающийся под куполом или плёнкой, поступает по газопроводу к месту использования. На выпускном патрубке можно установить предохранительный клапан, отрегулированный на определённое давление. Впрочем, при значительном повышении давления купол просто приподнимется в гидравлическом затворе на критическую высоту и опрокинется, стравив избыток газа, — гидрозатвор сам по себе работает как аварийный клапан.

Для разрушения корки на поверхности сырья не обязательно перемешивать массу вручную: снизу к куполу присоединяют металлическую вилку. Купол поднимается при накоплении газа и опускается по мере его расходования, и благодаря этому систематическому движению вилки сами разбивают корку.

Высокая влажность и присутствие сероводорода вызывают повышенную коррозию металлических частей установки. Состояние всех металлических элементов ферментатора регулярно контролируют, а места повреждений защищают: лучше всего свинцовым суриком в один-два слоя, затем двумя слоями масляной краски.

Установка с подогревом от аэробного ферментатора

Рисунок 5 — Схема биогазовой установки с подогревом: 1 — ферментатор; 2 — деревянный щит; 3 — заливная горловина; 4 — метантанк; 5 — мешалка; 6 — патрубок для отбора биогаза; 7 — теплоизоляционная прослойка; 8 — решётка; 9 — сливной кран для переработанной массы; 10 — канал для подачи воздуха; 11 — воздуходувка.

Биогазовая установка с подогревом сбраживаемой массы теплом, выделяемым при аэробном разложении навоза, приведена на рисунке 5. Она включает метантанк 4 — цилиндрическую металлическую ёмкость с заливной горловиной 3, сливным краном 9, механической мешалкой 5 и патрубком 6 отбора биогаза.

Ферментатор 1 можно сделать прямоугольным из деревянных материалов. Для выгрузки обработанного навоза боковые стенки выполняют съёмными. Пол ферментатора решётчатый: через технологический канал 10 воздух продувают воздуходувкой 11. Сверху ферментатор закрывают деревянными щитами 2. Чтобы уменьшить потери тепла, стенки и днище изготавливают с теплоизоляционной прослойкой 7.

Работает установка так. В метантанк 4 через горловину 3 заливают предварительно подготовленный жидкий навоз влажностью 88–92%, уровень жидкости определяют по нижней части заливной горловины. Аэробный ферментатор 1 через верхнюю открывающуюся часть заполняют подстилочным навозом или смесью навоза с рыхлым сухим наполнителем (солома, опилки) влажностью 65–69%. При подаче воздуха органическая масса в ферментаторе начинает разлагаться с выделением тепла — его достаточно для подогрева содержимого метантанка. Выделяющийся биогаз накапливается в верхней части метантанка и через патрубок 6 подаётся на бытовые нужды. В процессе сбраживания навоз в метантанке перемешивается мешалкой 5.

Такая установка может работать в любой климатической зоне и окупается примерно за год только за счёт утилизации отходов в личном хозяйстве.

Индивидуальная установка ИБГУ-1

Рисунок 6 — Схема индивидуальной биогазовой установки ИБГУ-1: 1 — заливная горловина; 2 — мешалка; 3 — патрубок для отбора газа; 4 — теплоизоляционная прослойка; 5 — патрубок с краном для выгрузки переработанной массы; 6 — термометр.

Индивидуальная биогазовая установка ИБГУ-1 (рисунок 6) рассчитана на семью, имеющую от 2 до 6 коров, 20–60 свиней или 100–300 голов птицы. Установка ежесуточно перерабатывает от 100 до 300 кг навоза и производит 100–300 кг экологически чистых органических удобрений и 3–12 м³ биогаза — этого достаточно для приготовления пищи и частичного покрытия потребности в горячей воде.

Безопасность и типичные ошибки

Биогаз — то же топливо, что и природный газ, со всеми его рисками. Метан образует взрывоопасные смеси с воздухом при концентрации примерно 5–15%, поэтому помещение, где используется биогаз, должно проветриваться, а рядом с реактором недопустимы открытый огонь и искрообразующий инструмент. Перед плитой или котлом желательно ставить простейший огнепреградитель — гидравлический затвор на газовой линии.

Учтите и юридическую сторону: требования к газовому оборудованию в доме устанавливают Правила пользования газом (утверждены постановлением Правительства РФ от 14.05.2013 № 410), а проектирование газопроводов регламентирует СП 62.13330 «Газораспределительные системы». Самодельные установки под сертификацию не подпадают, и вся ответственность за безопасную эксплуатацию лежит на владельце — поэтому герметичность швов и соединений проверяйте регулярно, хотя бы мыльным раствором.

Типичные ошибки самодельщиков:

• Слабая теплоизоляция реактора. Без неё зимой выход газа падает почти до нуля, а на подогрев уходит большая часть добытых кубометров.
• Отсутствие перемешивания. Корка на поверхности запирает газ в массе, выход падает, владелец ошибочно считает установку нерабочей.
• Перегрузка свежим сырьём. Загрузка больше 10% массы в сутки сбивает баланс бактерий, брожение «закисает», и процесс приходится запускать заново.
• Игнорирование конденсата. Без отводчика (см. рисунок 2) вода в трубах зимой замерзает и разрывает газопровод.
• Экономия на антикоррозионной защите. Сероводород в биогазе быстро разъедает незащищённый металл, через пару сезонов купол начинает травить газ.

Биогаз в промышленных масштабах

Технология работает не только на подворье. За рубежом давно применяют метод создания «искусственных месторождений» на полигонах бытовых отходов: значительная доля мусора — органика, которая гниёт и выделяет биогаз. Отходы укатывают слоями, верхний слой делают из газо- и водонепроницаемого материала (например, глины), затем бурят скважины и добывают свалочный газ почти как из природного месторождения. Так решаются сразу две проблемы: утилизация отходов и получение энергии.

Крупные биогазовые комплексы строят при животноводческих фермах, птицефабриках и спиртовых производствах: реакторы с принудительным подогревом и перемешиванием работают в термофильном режиме, а газ питает когенерационные установки, дающие одновременно тепло и электричество. В Европе отдельным направлением развивается биометан — очищенный до стандартов природного газа биогаз, который подают в общие сети. В России промышленных проектов пока немного, но для крупного фермерского хозяйства такая установка остаётся одним из немногих способов превратить навоз из проблемы утилизации в источник дохода.

Частые вопросы

Сколько биогаза даёт одна корова?

Корова массой 500–600 кг даёт экскременты, из которых получается около 1,5 м³ биогаза в сутки. Этого хватит на работу газовой плиты 3–4 часа в день, но не на отопление дома.

Можно ли отапливать дом биогазом зимой?

Можно, но в средней полосе на обогрев 50–60 м² нужно 10–11 м³ газа в сутки — это навоз от 7–8 коров. Плюс зимой часть газа расходуется на подогрев самого реактора, поэтому без хорошей теплоизоляции установки система нерентабельна.

Подойдёт ли обычная газовая плита для биогаза?

Да, бытовые плиты и проточные нагреватели работают на биогазе, но из-за меньшей теплотворности и давления газа горелки могут потребовать регулировки или замены жиклёров. Перед прибором желательно установить огнепреградитель-гидрозатвор.

Почему первая порция газа из установки не горит?

Первые 1–3 дня в реакторе накапливается газ с высоким содержанием углекислоты (до 60%) и низкой долей метана. Его просто стравливают в атмосферу — после стабилизации брожения газ начинает гореть устойчиво.

Что делать с остатком после переработки навоза?

Отработанная масса (ил) — готовое органическое удобрение: анаэробное перегнивание уничтожает семена сорняков и патогенную микрофлору, а питательные элементы сохраняются. Ил периодически выгружают из реактора и вносят в почву.

Источники

• ГОСТ 5542-2014 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия» — требования к теплотворности природного газа.
• Постановление Правительства РФ от 14.05.2013 № 410 «О мерах по обеспечению безопасности при использовании и содержании внутридомового и внутриквартирного газового оборудования».
• СП 62.13330 «Газораспределительные системы» (актуализированная редакция СНиП 42-01-2002) — требования к проектированию газопроводов.