Hoe biogas uit mest te verkrijgen: overzicht van de basisprincipes en het productie-installatiesysteem

Boerderijen worden jaarlijks geconfronteerd met het probleem van mestafvoer. Er gaan aanzienlijke bedragen verloren die nodig zijn voor de organisatie van het transport en de verwerking. Maar er is een manier om niet alleen geld te besparen, maar ook om dit natuurlijke product ten goede te laten komen.

Zuinige eigenaren passen al lang de ecotechnologie toe om biogas uit mest te verkrijgen en het resultaat als brandstof te gebruiken.

Daarom gaat ons artikel over de technologie van biogasproductie, en we zullen ook vertellen hoe u een bio-energie-installatie kunt bouwen.

Voordelen van het gebruik van biotechnologie

De technologie voor het verkrijgen van biobrandstof uit verschillende natuurlijke bronnen is niet nieuw. Onderzoek op dit gebied begon al aan het einde van de 18e eeuw en heeft zich succesvol ontwikkeld in de 19e eeuw. In de Sovjet-Unie werd de eerste bio-energie-installatie gebouwd in de jaren veertig van de vorige eeuw.

Biotechnologie wordt al lang in veel landen toegepast, maar juist vandaag krijgen ze een bijzondere betekenis. Door de verslechterende ecologische situatie op de planeet en de hoge kosten van energiedragers, richten velen hun blik op alternatieve bronnen van energie en warmte.

De technologie van mestverwerking tot biogas maakt het mogelijk de hoeveelheid schadelijke methaanemissies in de atmosfeer te verminderen en een extra bron van thermische energie te verkrijgen.

Ongetwijfeld is mest een zeer waardevolle meststof, en als er op een bedrijf twee koeien zijn, ontstaan er geen problemen met het gebruik ervan. Anders is het bij landbouwbedrijven met een grote of middelgrote veestapel, waar jaarlijks tonnen stinkend en rottend biologisch materiaal worden gevormd.

Om mest in een kwaliteitsmeststof te veranderen, zijn oppervlakten met een bepaald temperatuurregime nodig, en dat zijn extra kosten. Daarom slaan veel boeren het op waar het maar kan, en voeren het later naar de velden af.

Afhankelijk van het dagelijks gevormde volume grondstof moeten de afmetingen van de installatie en de mate van automatisering worden gekozen.

Bij niet-naleving van de bewaaromstandigheden vervluchtigt tot 40% van de stikstof en het grootste deel van de fosfor uit de mest, wat de kwalitatieve parameters aanzienlijk verslechtert. Bovendien komt methaangas vrij in de atmosfeer, wat een negatieve invloed heeft op de ecologische situatie van de planeet.

Moderne biotechnologieën maken het niet alleen mogelijk om de schadelijke effecten van methaan op het milieu te neutraliseren, maar ook om het te laten dienen voor het welzijn van de mens, terwijl er aanzienlijk economisch voordeel wordt behaald. Als gevolg hiervan wordt door de verwerking van mest biogas geproduceerd, waaruit vervolgens duizenden kW energie kan worden verkregen, en de productieafvalstoffen zijn een zeer waardevolle anaërobe meststof.

Mechanisme van gasvorming uit organisch materiaal

Biogas is een vluchtige stof zonder kleur of geur, die tot 70% methaan bevat. Qua kwaliteitseigenschappen benadert het de traditionele brandstof – aardgas. Het heeft een goede calorische waarde: 1 m³ biogas levert evenveel warmte als bij de verbranding van anderhalve kilogram steenkool.

We danken de vorming van biogas aan anaerobe bacteriën, die actief werken aan de afbraak van organische grondstoffen, zoals mest van landbouwdieren, vogelpoep en afval van alle soorten planten.

Bij de zelfproductie van biogas kunnen vogelpoep en uitwerpselen van klein en groot vee worden gebruikt. De grondstof kan in pure vorm of als mengsel met gras, bladeren en oud papier worden toegepast.

Om het proces te activeren, moeten gunstige omstandigheden voor de bacteriën worden gecreëerd. Deze moeten vergelijkbaar zijn met die waarin micro-organismen zich in een natuurlijk reservoir ontwikkelen – in de maag van dieren, waar het warm is en zuurstof ontbreekt.

Dit zijn eigenlijk de twee belangrijkste voorwaarden die bijdragen aan de wonderbaarlijke omzetting van rottende mest in milieuvriendelijke brandstof en waardevolle meststoffen.

Voor het verkrijgen van biogas is een luchtdichte reactor nodig zonder toegang van lucht, waarin het vergistingsproces van mest en de afbraak ervan in bestanddelen plaatsvindt:

• methaan (tot 70%);
• kooldioxide (ongeveer 30%);
• andere gassen (1-2%).

De gevormde gassen stijgen naar de bovenkant van de tank, vanwaar ze worden afgepompt, en onderin bezinkt een restproduct – een hoogwaardige organische meststof, die door de verwerking alle waardevolle stoffen uit de mest heeft behouden – stikstof en fosfor – en een aanzienlijk deel van de pathogene micro-organismen heeft verloren.

De reactor voor biogasproductie moet een volledig luchtdichte constructie hebben waarin zuurstof ontbreekt, anders verloopt het afbraakproces van de mest uiterst langzaam.

Een tweede belangrijke voorwaarde voor een efficiënte afbraak van mest en vorming van biogas is het handhaven van de temperatuur. De bacteriën die aan het proces deelnemen, worden geactiveerd bij een temperatuur vanaf +30 graden.

Bovendien bevat de mest twee soorten bacteriën:

• mesofiele. Hun levensactiviteit vindt plaats bij een temperatuur van +30 – +40 graden;
• thermofiele. Voor hun vermenigvuldiging moet een temperatuur van +50 (+60) graden worden aangehouden.

De verwerkingstijd van grondstoffen in installaties van het eerste type hangt af van de samenstelling van het mengsel en bedraagt 12 tot 30 dagen. Daarbij levert 1 liter nuttig reactoroppervlak 2 liter biobrandstof op. Bij gebruik van installaties van het tweede type wordt de productietijd van het eindproduct teruggebracht tot drie dagen, en de hoeveelheid biogas neemt toe tot 4,5 liter.

De efficiëntie van thermofiele installaties is met het blote oog zichtbaar, maar de onderhoudskosten zijn ook zeer hoog. Daarom moet u, voordat u een bepaalde methode voor het verkrijgen van biogas kiest, alles zeer zorgvuldig doorberekenen.

Hoewel de efficiëntie van thermofiele installaties tientallen keren hoger is, worden ze veel minder vaak toegepast, omdat het handhaven van hoge temperaturen in de reactor met hoge kosten gepaard gaat.

Het onderhoud en beheer van installaties van het mesofiele type zijn goedkoper, daarom gebruiken de meeste boerderijen juist deze voor het verkrijgen van biogas.

Biogas doet qua energiepotentieel niet veel onder voor de gebruikelijke gasbrandstof. Echter bevat het zwavelzure dampen, waarmee u rekening moet houden bij de keuze van materialen voor de constructie van de installatie.

Berekening van de efficiëntie van het biogasgebruik

Eenvoudige berekeningen helpen alle voordelen van het gebruik van alternatieve biobrandstof te beoordelen. Een koe van 500 kg produceert per dag ongeveer 35-40 kg mest. Deze hoeveelheid is genoeg om ongeveer 1,5 m³ biogas te verkrijgen, waaruit vervolgens 3 kWh elektriciteit kan worden opgewekt.

Met behulp van de gegevens uit de tabel kunt u eenvoudig berekenen hoeveel m³ biogas kan worden verkregen op basis van de veestapel op de boerderij.

Voor het verkrijgen van biobrandstof kan zowel één type organische grondstof als mengsels van meerdere componenten met een vochtgehalte van 85-90% worden gebruikt. Het is belangrijk dat ze geen vreemde chemische onzuiverheden bevatten die het verwerkingsproces negatief beïnvloeden.

Het eenvoudigste mengselrecept werd al in 2000 bedacht door een Russische boer uit de oblast Lipetsk, die met eigen handen een eenvoudige biogasinstallatie bouwde. Hij mengde 1500 kg koeienmest met 3500 kg afval van verschillende planten, voegde water toe (ongeveer 65% van het gewicht van alle ingrediënten) en verwarmde het mengsel tot 35 graden.

Na twee weken is de gratis brandstof klaar. Deze kleine installatie produceerde 40 m³ gas per dag, wat ruim voldoende was voor de verwarming van het huis en de bijgebouwen gedurende een half jaar.

Opties voor installaties voor de productie van biobrandstof

Na het uitvoeren van de berekeningen moet u bepalen hoe u de installatie kunt bouwen om biogas te verkrijgen in overeenstemming met de behoeften van uw bedrijf. Als de veestapel klein is, volstaat de eenvoudigste optie, die gemakkelijk met de hand kan worden gemaakt van alledaagse materialen.

Voor grote boerderijen die een constante bron van grote hoeveelheden grondstoffen hebben, is het raadzaam om een geautomatiseerd industrieel biogassysteem te bouwen. In dit geval zult u waarschijnlijk niet zonder de hulp van specialisten kunnen, die het project zullen ontwikkelen en de installatie professioneel zullen monteren.

Het schema toont duidelijk hoe het geautomatiseerde industriële complex voor het verkrijgen van biogas werkt. De bouw van een dergelijke schaal kan worden georganiseerd voor meerdere nabijgelegen boerderijen.

Tegenwoordig zijn er tientallen bedrijven die een groot aantal opties kunnen bieden: van kant-en-klare oplossingen tot het ontwikkelen van een individueel project. Om de bouwkosten te verlagen, kunt u samenwerken met naburige boerderijen (als die in de buurt zijn) en één installatie voor allemaal bouwen om biogas te verkrijgen.

Houd er rekening mee dat u voor de bouw van zelfs een kleine installatie de benodigde documenten moet indienen, een technologisch schema, een plattegrond voor de plaatsing van apparatuur en ventilatie (als de apparatuur binnen wordt geïnstalleerd) moet maken, en de goedkeuringsprocedures moet doorlopen bij de SES, de brandweer en de gasinspectie.

Een minifabriek voor gasproductie om de behoeften van een klein particulier bedrijf te dekken, kan met de hand worden gemaakt, waarbij u zich baseert op de constructie en specificaties van installaties die op industriële schaal worden geproduceerd.

De constructies van installaties voor het omzetten van mest en plantaardig organisch materiaal in biogas zijn niet ingewikkeld. Het door de industrie geproduceerde origineel is zeer geschikt als sjabloon voor het bouwen van uw eigen minifabriek.

Zelfstandige vakmensen die besluiten hun eigen installatie te bouwen, moeten zich voorzien van een watertank, waterleiding- of rioleringsbuizen van kunststof, hoekbochten, afdichtingen en een gasfles voor de opslag van het in de installatie verkregen gas.

Kenmerken van het biogassysteem

Een volledige biogasinstallatie is een complex systeem dat bestaat uit:

1. Een bioreactor waarin het afbraakproces van mest plaatsvindt;
2. Een geautomatiseerd systeem voor het toevoeren van organisch afval;
3. Een apparaat voor het mengen van de biomassa;
4. Apparatuur voor het handhaven van de optimale temperatuur;
5. Een gasopslagtank - een container voor gasopslag;
6. Een opvangbak voor verwerkte vaste afvalstoffen.

Alle bovengenoemde elementen worden geïnstalleerd in industriële installaties die in automatische modus werken. Huishoudelijke reactoren hebben meestal een eenvoudigere constructie.

Het schema toont de belangrijkste componenten van een geautomatiseerd biogassysteem. Het volume van de reactor is afhankelijk van de dagelijkse aanvoer van organisch materiaal. Voor een goede werking van de installatie moet de reactor voor tweederde van het volume zijn gevuld.

Werkingsprincipe van de installatie

Het belangrijkste onderdeel van het systeem is de bioreactor. Er zijn verschillende uitvoeringsvarianten, het belangrijkste is om de dichtheid van de constructie te waarborgen en te voorkomen dat er zuurstof binnendringt. Deze kan worden uitgevoerd als een metalen container in verschillende vormen (meestal cilindrisch), die op het oppervlak is geplaatst. Vaak worden hiervoor lege 50 kubieke meter brandstoftanks gebruikt.

Men kan kant-en-klare containers in demontabele constructie kopen. Hun voordeel is de mogelijkheid van snelle demontage en, indien nodig, verplaatsing naar een andere locatie. Industriële oppervlakte-installaties zijn geschikt voor grote boerderijen waar een constante aanvoer van grote hoeveelheden organisch materiaal is.

Voor kleine boerderijen is een ondergrondse plaatsing van de tank geschikter. Een ondergrondse bunker wordt gebouwd van baksteen of beton. Men kan kant-en-klare containers ingraven, bijvoorbeeld vaten van metaal, roestvrij staal of PVC. Ook bovengrondse plaatsing buitenshuis of in een speciaal ingerichte ruimte met goede ventilatie is mogelijk.

Voor de vervaardiging van een biogasproductie-installatie kan men kant-en-klare PVC-containers aanschaffen en deze plaatsen in een ruimte die is uitgerust met een ventilatiesysteem.

Ongeacht waar en hoe de reactor wordt geplaatst, deze wordt voorzien van een bunker voor het laden van mest. Voordat het ruwe materiaal wordt geladen, moet het voorbereid worden: het wordt vermalen tot fracties van niet meer dan 0,7 mm en verdund met water. Idealiter zou het vochtgehalte van het substraat ongeveer 90% moeten zijn.

Geautomatiseerde industriële installaties zijn uitgerust met een toevoersysteem voor grondstoffen, bestaande uit een ontvanger waarin het mengsel tot de benodigde bevochtiging wordt gebracht, een pijpleiding voor watertoevoer en een pompinstallatie voor het verpompen van de massa naar de bioreactor.

In huishoudelijke installaties worden voor de voorbereiding van het substraat aparte containers gebruikt, waarin het afval wordt vermalen en met water wordt gemengd. Vervolgens wordt de massa in de ontvangstbak geladen. In ondergrondse reactoren wordt de bunker voor het ontvangen van het substraat naar buiten geleid; het voorbereide mengsel stroomt via een pijpleiding onder zwaartekracht naar de vergistingskamer.

Als de reactor zich op de grond of in een ruimte bevindt, kunnen de invoerpijp en het ontvangstapparaat zich in het onderste zijgedeelte van de container bevinden. Het is ook mogelijk de pijp naar het bovenste gedeelte te leiden en een trechter op de hals te plaatsen. In dat geval moet de biomassa met behulp van een pomp worden toegevoerd.

In de bioreactor moet ook een uitlaatopening worden voorzien, die praktisch op de bodem van de container aan de tegenoverliggende zijde van de inlaatbunker wordt gemaakt. Bij ondergrondse plaatsing wordt de uitlaatpijp schuin omhoog geïnstalleerd en leidt naar een afvalontvanger die de vorm van een rechthoekige doos heeft. De bovenrand ervan moet zich onder het niveau van de inlaatopening bevinden.

De inlaat- en uitlaatpijpen worden schuin omhoog aan verschillende zijden van de container geplaatst, terwijl de compenserende container waarin het afval terechtkomt, lager moet zijn dan de ontvangstbunker.

Het proces verloopt als volgt: de inlaatbunker ontvangt een nieuwe partij substraat, die naar de reactor stroomt; gelijktijdig wordt dezelfde hoeveelheid afgewerkte massa via de pijp opgetild naar de afvalontvanger, vanwaar het later wordt opgeschept en gebruikt als hoogwaardige biologische meststof.

De opslag van biogas vindt plaats in een gashouder. Deze bevindt zich meestal direct op het dak van de reactor en heeft de vorm van een koepel of kegel. Hij wordt vervaardigd uit dakijzer en wordt vervolgens, om corrosieprocessen te voorkomen, met meerdere lagen olieverf geverfd.

In industriële installaties die zijn ontworpen voor de productie van grote hoeveelheden gas, wordt de gashouder vaak uitgevoerd als een losstaand reservoir dat met de reactor is verbonden via een pijpleiding.

Het gas dat door fermentatie wordt verkregen, is niet geschikt voor gebruik, omdat het een grote hoeveelheid waterdamp bevat en in deze vorm niet zal branden. Om het van waterfracties te zuiveren, wordt het gas door een waterslot geleid. Hiervoor wordt een leiding uit de gashouder gehaald, waardoor het biogas in een waterreservoir stroomt, en van daaruit wordt het via een kunststof of metalen leiding aan de gebruikers geleverd.

Schema van een ondergrondse installatie. De inlaat- en uitlaatopeningen moeten zich aan tegenovergestelde zijden van de tank bevinden. Boven de reactor bevindt zich een waterslot, waar het verkregen gas doorheen wordt geleid voor droging.

In sommige gevallen worden speciale gashouders in de vorm van zakken, gemaakt van polyvinylchloride, gebruikt voor gasopslag. De zakken worden naast de installatie geplaatst en geleidelijk met gas gevuld. Naarmate ze vullen, zet het elastische materiaal uit en neemt het volume van de zakken toe, waardoor indien nodig tijdelijk een grotere hoeveelheid eindproduct kan worden opgeslagen.

Voorwaarden voor de efficiënte werking van de bioreactor

Voor een efficiënte werking van de installatie en een intensieve productie van biogas is een gelijkmatige fermentatie van het organische substraat nodig. Het mengsel moet constant in beweging zijn. Anders vormt zich een korst, vertraagt het afbraakproces, en uiteindelijk wordt er minder gas geproduceerd dan oorspronkelijk berekend.

Om een actieve menging van de biomassa te garanderen, worden in het bovenste of zijdelingse deel van een standaardreactor dompel- of schuine roerders met elektrische aandrijving geïnstalleerd. In ambachtelijke installaties vindt de menging plaats op mechanische wijze met behulp van een apparaat dat lijkt op een huishoudelijke mixer. Dit kan handmatig worden bediend of worden voorzien van een elektrische aandrijving.

Bij een verticale opstelling van de reactor wordt de hendel van de roerder naar het bovenste deel van de installatie geleid. Als de tank horizontaal is geplaatst, bevindt de schroef zich ook in het horizontale vlak en bevindt de handgreep zich aan de zijkant van de bioreactor.

Een van de belangrijkste voorwaarden voor het verkrijgen van biogas is het handhaven van de vereiste temperatuur in de reactor. De verwarming kan op verschillende manieren worden gerealiseerd. In stationaire installaties worden geautomatiseerde verwarmingssystemen gebruikt die worden ingeschakeld wanneer de temperatuur onder het ingestelde niveau daalt en worden uitgeschakeld wanneer de vereiste temperatuur is bereikt.

Voor verwarming kan men gasketels gebruiken, directe verwarming met elektrische verwarmingstoestellen toepassen of een verwarmingselement in de bodem van de tank inbouwen.

Om warmteverlies te verminderen, wordt aanbevolen om rond de reactor een klein frame met een laag glaswol te bouwen of de installatie met thermische isolatie te bedekken. Goede thermische isolatie-eigenschappen hebben polystyreenschuim en andere varianten daarvan.

Om het verwarmingssysteem van de biomassa in te richten, kunt u een leiding aanleggen van de huisverwarming die door de reactor wordt gevoed.

Bepaling van het benodigde volume

Het volume van de reactor wordt bepaald op basis van de dagelijkse hoeveelheid mest die op het bedrijf wordt geproduceerd. Ook moet rekening worden gehouden met het type grondstof, de temperatuur en de vergistingstijd. Om de installatie goed te laten werken, wordt de tank voor 85-90% van het volume gevuld; ten minste 10% moet vrij blijven voor de uitstoot van gas.

Het afbraakproces van organisch materiaal in een mesofiele installatie bij een gemiddelde temperatuur van 35 graden duurt minimaal 12 dagen, waarna de vergiste resten worden verwijderd en de reactor met een nieuwe portie substraat wordt gevuld. Omdat het afval voor verzending naar de reactor met water wordt verdund tot 90%, moet ook de hoeveelheid vloeistof in aanmerking worden genomen bij het bepalen van de dagelijkse belading.

Op basis van de aangegeven parameters is het volume van de reactor gelijk aan de dagelijkse hoeveelheid voorbereid substraat (mest met water) vermenigvuldigd met 12 (de benodigde tijd voor afbraak van de biomassa) en vermeerderd met 10% (vrije volume van de tank).

Bouw van een ondergrondse constructie

Laten we het nu hebben over de eenvoudigste installatie waarmee men biogas thuis kan verkrijgen tegen de laagste kosten. Laten we de bouw van een ondergronds systeem bekijken. Om het te maken moet men een put graven, de bodem en wanden worden gestort met gewapend geëxpandeerd kleibeton.

Aan tegenovergestelde zijden van de kamer worden inlaat- en uitlaatopeningen aangebracht, waar schuine leidingen worden gemonteerd voor het toevoeren van substraat en het afvoeren van de verwerkte massa.

De uitlaatpijp met een diameter van ongeveer 7 cm moet zich vrijwel op de bodem van de bunker bevinden; het andere uiteinde wordt gemonteerd in een rechthoekige compensatietank waarin het afval wordt afgevoerd. De aanvoerleiding voor het substraat bevindt zich ongeveer 50 cm van de bodem en heeft een diameter van 25-35 cm. Het bovenste deel van de leiding komt uit in het compartiment voor de opvang van grondstoffen.

De reactor moet volledig luchtdicht zijn. Om te voorkomen dat er lucht binnendringt, moet de tank worden bedekt met een laag bitumineuze waterdichting.

Het bovendeel van de bunker is een gasopslag met een koepel- of kegelvorm. Het wordt vervaardigd uit metalen platen of dakijzer. U kunt de constructie ook afwerken met metselwerk, dat vervolgens wordt bekleed met een stalen gaas en gepleisterd. Bovenop de gasopslag moet u een luchtdicht luik maken, een gasleiding aanleggen die door een waterslot loopt, en een overdrukventiel installeren.

Om het substraat te mengen, kunt u de installatie uitrusten met een drainagesysteem dat werkt volgens het principe van bellenbeluchting. Bevestig hiervoor verticaal plastic buizen in de constructie, zodat hun bovenrand boven de substraatlaag uitkomt. Maak er talloze gaten in. Het gas zal onder druk naar beneden gaan en bij het opstijgen zullen de gasbellen de biomassa in de tank mengen.

Als u geen betonnen bunker wilt bouwen, kunt u een kant-en-klare PVC-tank kopen. Om de warmte vast te houden, moet u deze rondom bedekken met een laag isolatie – polystyreenschuim. De bodem van de put wordt gestort met gewapend beton van 10 cm dik. Polyvinylchloridetanks mogen worden gebruikt als het reactorvolume niet groter is dan 3 m³.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Hoe u de eenvoudigste installatie uit een gewoon vat kunt maken, ontdekt u door de video te bekijken:

Hoe de bouw van een ondergrondse reactor verloopt, kunt u bekijken in de videoreportage:

Hoe het laden van mest in de ondergrondse installatie gebeurt, wordt getoond in de volgende video:

Een installatie voor het winnen van biogas uit mest stelt u in staat aanzienlijk te besparen op de kosten voor verwarming en elektriciteit, en het organische materiaal dat in overvloed aanwezig is op elk boerenbedrijf voor een goed doel te gebruiken. Voordat u met de bouw begint, moet u alles zorgvuldig berekenen en voorbereiden.

U kunt de eenvoudigste reactor in een paar dagen met uw eigen handen maken, met behulp van voorhanden materialen. Als het bedrijf groot is, kunt u het beste een kant-en-klare installatie kopen of experts inschakelen.

Als u na het lezen van de gepresenteerde informatie vragen heeft, of suggesties heeft die u met de bezoekers van de site wilt delen, laat dan alstublieft een reactie achter in het onderstaande blok.