Come produrre biogas dal letame: una panoramica dei principi di base e della progettazione di un impianto di produzione

Gli agricoltori ogni anno affrontano il problema dello smaltimento del letame.I considerevoli fondi necessari per organizzarne la rimozione e la sepoltura vengono sprecati. Ma esiste un modo che ti consente non solo di risparmiare denaro, ma anche di sfruttare questo prodotto naturale a tuo vantaggio.

I proprietari parsimoniosi mettono da tempo in pratica l'ecotecnologia che consente di ottenere biogas dal letame e di utilizzare il risultato come combustibile.

Pertanto, nel nostro materiale parleremo della tecnologia per la produzione di biogas e parleremo anche di come costruire un impianto di bioenergia.

Vantaggi dell'utilizzo delle biotecnologie

Tecnologia ottenere biocarburante da varie fonti naturali non è una novità. Le ricerche in questo settore iniziarono alla fine del XVIII secolo e si svilupparono con successo nel XIX secolo. Nell'Unione Sovietica, il primo impianto di bioenergia fu creato negli anni Quaranta del secolo scorso.

Le biotecnologie sono utilizzate da tempo in molti paesi, ma oggi stanno acquisendo particolare importanza. A causa del deterioramento della situazione ambientale del pianeta e dell’elevato costo dell’energia, molti rivolgono la loro attenzione a fonti alternative di energia e calore.

La tecnologia di trasformazione del letame in biogas consente di ridurre la quantità di emissioni nocive di metano nell'atmosfera e ottenere un'ulteriore fonte di energia termica

Naturalmente, il letame è un fertilizzante molto prezioso e se nella fattoria ci sono due mucche, non ci sono problemi con il suo utilizzo. La questione è diversa quando si tratta di allevamenti con bestiame di grandi e medie dimensioni, dove ogni anno vengono generate tonnellate di materiale biologico maleodorante e in decomposizione.

Affinché il letame si trasformi in fertilizzante di alta qualità, sono necessarie aree con un certo regime di temperatura e questa è una spesa aggiuntiva. Pertanto, molti agricoltori lo immagazzinano dove possono e poi lo portano nei campi.

A seconda del volume di materie prime generate quotidianamente, è necessario selezionare le dimensioni dell'impianto e il grado di automazione

Se le condizioni di stoccaggio non vengono soddisfatte, fino al 40% dell'azoto e la maggior parte del fosforo evaporano dal letame, il che peggiora significativamente i suoi indicatori di qualità. Inoltre, nell'atmosfera viene rilasciato gas metano, che ha un impatto negativo sulla situazione ambientale del pianeta.

Le moderne biotecnologie consentono non solo di neutralizzare gli effetti dannosi del metano sull'ambiente, ma anche di renderlo utile al benessere delle persone, ottenendo notevoli benefici economici. Di conseguenza la lavorazione del letame produce biogas, da cui si possono poi ricavare migliaia di kW di energia, e gli scarti di produzione rappresentano un fertilizzante anaerobico di grande valore.

Meccanismo di formazione del gas da materie prime organiche

Il biogas è una sostanza volatile senza colore né odore, che contiene fino al 70% di metano. In termini di indicatori di qualità, si avvicina al tipo tradizionale di carburante: il gas naturale. Ha un buon potere calorifico, 1m³ il biogas produce tanto calore quanto quello prodotto bruciando un chilogrammo e mezzo di carbone.

Dobbiamo la formazione di biogas ai batteri anaerobici, che lavorano attivamente per decomporre le materie prime organiche, tra cui letame di animali da fattoria, escrementi di uccelli e qualsiasi rifiuto vegetale.

Nell'autoproduzione di biogas possono essere utilizzati escrementi di uccelli e rifiuti di allevamenti piccoli e grandi. Le materie prime possono essere utilizzate allo stato puro o sotto forma di una miscela comprendente erba, fogliame, carta vecchia

Per attivare il processo è necessario creare condizioni favorevoli alla vita dei batteri. Dovrebbero essere simili a quelli in cui i microrganismi si sviluppano in un serbatoio naturale - nello stomaco degli animali, dove fa caldo e non c'è ossigeno.

In realtà, queste sono le due condizioni principali che contribuiscono alla miracolosa trasformazione del letame in decomposizione in combustibile ecologico e preziosi fertilizzanti.

Per produrre biogas è necessario un reattore sigillato senza accesso all'aria, dove avrà luogo il processo di fermentazione del letame e la sua decomposizione in componenti:

• metano (fino al 70%);
• diossido di carbonio (circa il 30%);
• altre sostanze gassose (1-2%).

I gas risultanti salgono verso la parte superiore del contenitore, da dove vengono poi pompati, e il prodotto residuo si deposita: fertilizzante organico di alta qualità che, a seguito della lavorazione, ha trattenuto tutte le sostanze preziose presenti nel letame - azoto e fosforo e ha perso una parte significativa di microrganismi patogeni.

Il reattore per la produzione di biogas deve avere una struttura completamente sigillata in cui non sia presente ossigeno, altrimenti il ​​processo di decomposizione del letame sarà estremamente lento

La seconda condizione importante per l'efficace decomposizione del letame e la formazione di biogas è il rispetto del regime di temperatura. I batteri che prendono parte al processo vengono attivati ​​a temperature da +30 gradi.

Inoltre, il letame contiene due tipi di batteri:

• mesofilo. La loro attività vitale avviene ad una temperatura di +30 – +40 gradi;
• termofilo. Per riprodurli è necessario mantenere un regime di temperatura di +50 (+60) gradi.

Il tempo di lavorazione delle materie prime negli impianti del primo tipo dipende dalla composizione della miscela e varia dai 12 ai 30 giorni. Allo stesso tempo, 1 litro di area utile del reattore produce 2 litri di biocarburante. Quando si utilizzano impianti del secondo tipo, il tempo di produzione del prodotto finale si riduce a tre giorni e la quantità di biogas aumenta a 4,5 litri.

L'efficienza degli impianti termofili è visibile ad occhio nudo, tuttavia, il costo della loro manutenzione è molto elevato, quindi prima di scegliere l'uno o l'altro metodo di produzione di biogas, è necessario calcolare tutto con molta attenzione

Nonostante l'efficienza degli impianti termofili sia decine di volte superiore, vengono utilizzati molto meno frequentemente, poiché il mantenimento di temperature elevate nel reattore è associato a costi elevati.

La manutenzione e la manutenzione degli impianti di tipo mesofilo è più economica, quindi la maggior parte delle aziende agricole li utilizza per produrre biogas.

In termini di potenziale energetico, il biogas è leggermente inferiore al gas combustibile convenzionale. Contiene tuttavia vapori di acido solforico, la cui presenza deve essere presa in considerazione nella scelta dei materiali per la costruzione dell'impianto

Calcoli dell'efficienza di utilizzo del biogas

Semplici calcoli ti aiuteranno a valutare tutti i vantaggi derivanti dall’utilizzo di biocarburanti alternativi. Una mucca del peso di 500 kg produce circa 35-40 kg di letame al giorno. Questa quantità è sufficiente per ottenere circa 1,5 m³ biogas, da cui si possono generare 3 kW/h di energia elettrica.

Utilizzando i dati della tabella, è facile calcolare quanti m³ il biogas può essere ottenuto in uscita in base al numero di capi di bestiame disponibili nell'azienda agricola

Per ottenere il biocarburante è possibile utilizzare un tipo di materia prima organica o miscele di più componenti con un'umidità dell'85-90%. È importante che non contengano impurità chimiche estranee che influiscono negativamente sul processo di lavorazione.

La ricetta più semplice per la miscela è stata inventata nel 2000 da un russo della regione di Lipetsk, che ha costruito con le proprie mani un semplice impianto per la produzione di biogas.Ha mescolato 1.500 kg di letame bovino con 3.500 kg di vari scarti vegetali, ha aggiunto acqua (circa il 65% del peso di tutti gli ingredienti) e ha riscaldato la miscela a 35 gradi.

Tra due settimane il carburante gratuito sarà pronto. Questa piccola installazione ha prodotto 40 m³ gas al giorno, sufficiente a riscaldare la casa e gli annessi per sei mesi.

Opzioni per impianti di produzione di biocarburanti

Dopo aver effettuato i calcoli è necessario decidere come realizzare l'impianto per ottenere biogas in base alle esigenze della propria azienda agricola. Se il numero di capi di bestiame è piccolo, è adatta l'opzione più semplice, che è facile da realizzare con le proprie mani con i materiali disponibili.

Per le grandi aziende agricole che hanno una fonte costante di grandi quantità di materie prime, è consigliabile costruire un sistema di biogas industriale automatizzato. In questo caso, è improbabile che sia possibile fare a meno del coinvolgimento di specialisti che svilupperanno il progetto e installeranno l'installazione a livello professionale.

Lo schema mostra chiaramente come funziona un complesso industriale automatizzato per la produzione di biogas. Una costruzione di tale portata può essere organizzata per diverse aziende agricole situate nelle vicinanze

Oggi ci sono decine di aziende che possono offrire molte opzioni: dalle soluzioni già pronte allo sviluppo di un progetto individuale. Per ridurre i costi di costruzione, puoi collaborare con le fattorie vicine (se ce ne sono nelle vicinanze) e costruire un impianto per la produzione di biogas per tutte.

Va notato che per realizzare anche un piccolo impianto è necessario redigere i documenti pertinenti, realizzare uno schema tecnologico, un piano per il posizionamento delle apparecchiature e della ventilazione (se l'apparecchiatura è installata all'interno) e seguire le procedure di approvazione con il SES, ispezione antincendio e gas.

Un miniimpianto per la produzione di gas per coprire il fabbisogno di una piccola abitazione privata può essere realizzato con le proprie mani, concentrandosi sulla progettazione e progettazione specifica di impianti prodotti su scala industriale.

La progettazione degli impianti per la trasformazione del letame e della materia organica vegetale in biogas non è complicata. L'originale prodotto dall'industria è abbastanza adatto come modello per costruire la propria mini-fabbrica

Gli artigiani indipendenti che decidono di costruire il proprio impianto devono fare scorta di un contenitore per l'acqua, tubi in plastica per l'approvvigionamento idrico o fognario, curve angolari, guarnizioni e una bombola per lo stoccaggio del gas prodotto nell'impianto.

Caratteristiche dell'impianto biogas

Un impianto biogas completo è un sistema complesso costituito da:

1. Bioreattore, dove avviene il processo di decomposizione del letame;
2. Sistema automatizzato di approvvigionamento dei rifiuti organici;
3. Dispositivi di miscelazione della biomassa;
4. Attrezzature per mantenere condizioni di temperatura ottimali;
5. Serbatoi di gas – serbatoi di stoccaggio del gas;
6. Ricevitore per rifiuti solidi.

Tutti gli elementi di cui sopra sono installati in impianti industriali che funzionano in modalità automatica. I reattori domestici, di norma, hanno un design più semplificato.

Lo schema mostra i componenti principali di un sistema automatizzato di biogas.Il volume del reattore dipende dall'assunzione giornaliera di materie prime organiche. Affinché l'impianto funzioni pienamente, il reattore deve essere riempito per due terzi del suo volume.

Principio di funzionamento dell'impianto

L'elemento principale del sistema è il bioreattore. Esistono diverse opzioni per la sua implementazione, l'importante è garantire la tenuta della struttura e impedire l'ingresso di ossigeno. Può essere realizzato sotto forma di un contenitore metallico di varie forme (solitamente cilindrico), situato sulla superficie. Spesso per questi scopi vengono utilizzati serbatoi di carburante vuoti da 50 cc.

È possibile acquistare contenitori pieghevoli già pronti. Il loro vantaggio è la capacità di smontare rapidamente e, se necessario, trasportare in un altro luogo. È consigliabile utilizzare impianti industriali di superficie nelle grandi aziende agricole dove c'è un afflusso costante di grandi quantità di materie prime organiche.

Per le piccole aziende agricole è più adatta l'opzione di posizionamento sotterraneo del serbatoio. Un bunker sotterraneo è costruito in mattoni o cemento. Puoi seppellire nel terreno contenitori già pronti, ad esempio botti di metallo, acciaio inossidabile o PVC. È anche possibile posizionarli superficialmente sulla strada o in una stanza appositamente designata con una buona ventilazione.

Per realizzare un impianto di produzione di biogas è possibile acquistare contenitori in PVC già pronti e installarli in un locale dotato di sistema di ventilazione

Indipendentemente da dove e come si trova il reattore, è dotato di un bunker per il carico del letame. Prima di caricare la materia prima, questa deve essere sottoposta a una preparazione preliminare: viene frantumata in frazioni non superiori a 0,7 mm e diluita con acqua. Idealmente, l'umidità del supporto dovrebbe essere intorno al 90%.

Gli impianti automatizzati di tipo industriale sono dotati di un sistema di approvvigionamento di materie prime, compreso un ricevitore in cui la miscela viene portata al livello di umidità richiesto, una tubazione di approvvigionamento idrico e un'unità di pompaggio per pompare la massa nel bioreattore.

Negli impianti domestici per la preparazione del sottofondo vengono utilizzati contenitori separati in cui i rifiuti vengono frantumati e mescolati con acqua. Quindi la massa viene caricata nel compartimento ricevente. Nei reattori posti nel sottosuolo, la tramoggia di ricezione del substrato viene fatta uscire e la miscela preparata fluisce per gravità attraverso una tubazione nella camera di fermentazione.

Se il reattore è posizionato al suolo o all'interno, il tubo di ingresso con il dispositivo ricevente può essere posizionato nella parte inferiore del serbatoio. È anche possibile portare il tubo in alto e mettere una presa sul suo collo. In questo caso la biomassa dovrà essere fornita mediante una pompa.

È inoltre necessario prevedere un foro di uscita nel bioreattore, che è ricavato quasi sul fondo del contenitore dal lato opposto alla tramoggia di ingresso. Quando è interrato, il tubo di scarico viene installato obliquamente verso l'alto e conduce ad un contenitore per rifiuti, a forma di scatola rettangolare. Il suo bordo superiore dovrebbe essere al di sotto del livello dell'ingresso.

I tubi di ingresso e uscita sono posti obliquamente verso l'alto su lati diversi della vasca, mentre il vaso di compensazione in cui entrano i rifiuti deve trovarsi al di sotto della tramoggia di raccolta

Il processo procede come segue: la tramoggia di ingresso riceve un nuovo lotto di substrato, che confluisce nel reattore, contemporaneamente la stessa quantità di massa di rifiuti sale attraverso un tubo nel ricevitore dei rifiuti, da dove viene successivamente raccolta e utilizzata come biofertilizzante di alta qualità.

Il biogas viene immagazzinato in un serbatoio di gas. Molto spesso si trova direttamente sul tetto del reattore e ha la forma di una cupola o di un cono. È realizzato in ferro per coperture e quindi, per evitare processi di corrosione, è dipinto con diversi strati di pittura ad olio.

Negli impianti industriali progettati per produrre grandi quantità di gas, il serbatoio del gas è spesso costruito sotto forma di serbatoio separato collegato al reattore tramite una tubazione.

Il gas prodotto dalla fermentazione non è adatto all'uso perché contiene una grande quantità di vapore acqueo e non brucia in questa forma. Per purificarlo dalle frazioni acquose, il gas viene fatto passare attraverso un sigillo d'acqua. Per fare ciò, dal serbatoio del gas viene rimosso un tubo attraverso il quale il biogas entra in un contenitore con acqua, e da lì viene fornito ai consumatori attraverso un tubo di plastica o metallo.

Schema di installazione situata nel sottosuolo. Le aperture di ingresso e uscita devono essere situate sui lati opposti del contenitore. Sopra il reattore è presente una tenuta idraulica attraverso la quale il gas risultante viene fatto passare a secco.

Per immagazzinare il gas in alcuni casi vengono utilizzati speciali sacchi porta gas in cloruro di polivinile. I sacchi vengono posizionati accanto all'impianto e riempiti gradualmente di gas.Man mano che vengono riempiti, il materiale elastico si gonfia e il volume dei sacchetti aumenta, consentendo di immagazzinare temporaneamente una quantità maggiore di prodotto finale, se necessario.

Condizioni per il funzionamento efficiente di un bioreattore

Per un funzionamento efficiente dell'impianto e un rilascio intensivo di biogas è necessaria una fermentazione uniforme del substrato organico. La miscela deve essere in costante movimento. Altrimenti, su di essa si forma una crosta, il processo di decomposizione rallenta e, di conseguenza, viene prodotto meno gas di quanto inizialmente calcolato.

Per garantire la miscelazione attiva della biomassa, nella parte superiore o laterale di un tipico reattore sono installati miscelatori sommergibili o inclinati dotati di azionamento elettrico. Nelle installazioni fatte in casa, la miscelazione viene eseguita meccanicamente utilizzando un dispositivo simile a un mixer domestico. Può essere controllato manualmente o dotato di azionamento elettrico.

Quando il reattore è posizionato verticalmente, la maniglia dell'agitatore si trova nella parte superiore dell'installazione. Se il contenitore è installato orizzontalmente, anche la coclea si trova su un piano orizzontale e la maniglia si trova sul lato del bioreattore

Una delle condizioni più importanti per la produzione di biogas è il mantenimento della temperatura richiesta nel reattore. Il riscaldamento può essere realizzato in diversi modi. Nelle installazioni fisse vengono utilizzati sistemi di riscaldamento automatizzati, che si accendono quando la temperatura scende al di sotto di un livello predeterminato e si spengono quando viene raggiunta la temperatura richiesta.

Può essere utilizzato per il riscaldamento caldaie a gas, effettuare il riscaldamento diretto con riscaldatori elettrici o inserire un elemento riscaldante nel fondo del contenitore.

Per ridurre la perdita di calore, si consiglia di costruire un piccolo telaio attorno al reattore con uno strato di lana di vetro o di coprire l'installazione con un isolamento termico. Ha buone proprietà di isolamento termico polistirolo espanso e sue altre varietà.

Per impostare un sistema di riscaldamento a biomassa, è possibile far funzionare una tubazione dal sistema di riscaldamento domestico, alimentato dal reattore

Determinazione del volume richiesto

Il volume del reattore è determinato in base alla quantità giornaliera di letame prodotto nell'azienda agricola. È inoltre necessario tenere conto del tipo di materia prima, della temperatura e del tempo di fermentazione. Per il pieno funzionamento dell'impianto, il contenitore deve essere riempito all'85-90% del volume, almeno il 10% deve rimanere libero affinché il gas possa fuoriuscire.

Il processo di decomposizione della materia organica in un impianto mesofilo ad una temperatura media di 35 gradi dura da 12 giorni, dopodiché i residui fermentati vengono rimossi e il reattore viene riempito con una nuova porzione del substrato. Poiché i rifiuti vengono diluiti con acqua fino al 90% prima di essere inviati al reattore, nel determinare il carico giornaliero occorre tenere conto anche della quantità di liquido.

Sulla base degli indicatori forniti, il volume del reattore sarà pari alla quantità giornaliera di substrato preparato (letame con acqua) moltiplicata per 12 (il tempo necessario per la decomposizione della biomassa) e aumentata del 10% (volume libero del contenitore).

Costruzione di una struttura sotterranea

Parliamo ora dell'installazione più semplice che ti consente di ottenere biogas in casa al costo più basso. Prendi in considerazione la costruzione di un sistema sotterraneo. Per realizzarlo è necessario scavare una buca, la sua base e le pareti sono riempite con cemento armato di argilla espansa.

Le aperture di ingresso e uscita si trovano sui lati opposti della camera, dove sono montati tubi inclinati per l'alimentazione del substrato e il pompaggio della massa di rifiuti.

Il tubo di uscita con un diametro di circa 7 cm dovrebbe trovarsi quasi sul fondo del bunker, l'altra estremità è montata in un serbatoio di compensazione rettangolare in cui verranno pompati i rifiuti. La tubazione per l'alimentazione del substrato si trova a circa 50 cm dal fondo e ha un diametro di 25-35 cm, la parte superiore del tubo entra nel vano di ricezione delle materie prime.

Il reattore deve essere completamente sigillato. Per escludere la possibilità di ingresso di aria, il contenitore deve essere coperto con uno strato di impermeabilizzazione bituminosa

La parte superiore del bunker è un contenitore per il gas, che ha una forma a cupola o cono. È realizzato in lamiera o ferro per coperture. È possibile completare la struttura anche con muratura, che verrà poi ricoperta con rete d'acciaio e intonacata. È necessario realizzare uno sportello sigillato sopra il serbatoio del gas, rimuovere il tubo del gas che passa attraverso il sigillo dell'acqua e installare una valvola per scaricare la pressione del gas.

Per miscelare il substrato è possibile dotare l'impianto di un sistema di drenaggio funzionante secondo il principio del gorgogliamento. Per fare ciò, fissare verticalmente i tubi di plastica all'interno della struttura in modo che il loro bordo superiore si trovi sopra lo strato del substrato. Fai molti buchi. Il gas sotto pressione cadrà verso il basso e, risalendo, le bolle di gas mescoleranno la biomassa nel contenitore.

Se non vuoi costruire un bunker di cemento, puoi acquistare un contenitore in PVC già pronto. Per preservare il calore, deve essere circondato da uno strato di isolamento termico: polistirene espanso. Il fondo della fossa viene riempito con uno strato di cemento armato di 10 cm.È possibile utilizzare serbatoi in cloruro di polivinile se il volume del reattore non supera i 3 m3.

Conclusioni e video utile sull'argomento

Imparerai come realizzare l'installazione più semplice da una normale botte se guardi il video:

Puoi vedere come avviene la costruzione di un reattore sotterraneo nel video:

Il modo in cui il letame viene caricato in un'installazione sotterranea è mostrato nel seguente video:

Un impianto per la produzione di biogas dal letame vi permetterà di risparmiare notevolmente sui costi di riscaldamento ed elettricità e di utilizzare per una buona causa il materiale organico, disponibile in abbondanza in ogni azienda agricola. Prima di iniziare la costruzione, tutto deve essere attentamente calcolato e preparato.

Il reattore più semplice può essere realizzato in pochi giorni con le tue mani, utilizzando i materiali disponibili. Se l'azienda agricola è grande, è meglio acquistare un'installazione già pronta o contattare specialisti.

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