Como produzir biogás a partir de esterco: uma visão geral dos princípios básicos e do projeto de uma planta de produção

Os agricultores enfrentam anualmente o problema da eliminação de estrume.Os consideráveis ​​fundos necessários para organizar a sua remoção e enterro são desperdiçados. Mas existe uma forma que lhe permite não só poupar o seu dinheiro, mas também fazer com que este produto natural lhe sirva em seu benefício.

Proprietários econômicos há muito que colocam em prática a ecotecnologia que permite obter biogás a partir do estrume e utilizar o resultado como combustível.

Por isso, em nosso material falaremos sobre a tecnologia de produção de biogás, e também falaremos sobre como construir uma usina de bioenergia.

Vantagens do uso da biotecnologia

Tecnologia obtenção de biocombustível de várias fontes naturais não é nova. A investigação nesta área começou no final do século XVIII e desenvolveu-se com sucesso no século XIX. Na União Soviética, a primeira usina de bioenergia foi criada na década de quarenta do século passado.

As biotecnologias são utilizadas há muito tempo em muitos países, mas hoje ganham particular importância. Devido à deterioração da situação ambiental do planeta e ao elevado custo da energia, muitos estão a voltar a sua atenção para fontes alternativas de energia e calor.

A tecnologia de processamento de esterco em biogás permite reduzir a quantidade de emissões nocivas de metano na atmosfera e obter uma fonte adicional de energia térmica

É claro que o esterco é um fertilizante muito valioso e, se houver duas vacas na fazenda, não haverá problemas com seu uso. A situação é diferente quando se trata de fazendas com pecuária de grande e médio porte, onde são geradas anualmente toneladas de material biológico malcheiroso e apodrecido.

Para que o esterco se transforme em fertilizante de alta qualidade, são necessárias áreas com determinado regime de temperatura, o que representa um gasto extra. Por isso, muitos agricultores armazenam-no onde podem e depois levam-no para o campo.

Dependendo do volume de matéria-prima gerada por dia, devem ser selecionadas as dimensões da instalação e o grau de sua automação

Se as condições de armazenamento não forem atendidas, até 40% do nitrogênio e a maior parte do fósforo evaporam do esterco, o que piora significativamente seus indicadores de qualidade. Além disso, o gás metano é liberado na atmosfera, o que impacta negativamente a situação ambiental do planeta.

As biotecnologias modernas permitem não só neutralizar os efeitos nocivos do metano no ambiente, mas também fazê-lo servir em benefício das pessoas, obtendo ao mesmo tempo benefícios económicos consideráveis. Como resultado processar esterco produz biogás, a partir dos quais podem ser obtidos milhares de kW de energia, e os resíduos da produção representam um fertilizante anaeróbico muito valioso.

Mecanismo de formação de gases a partir de matérias-primas orgânicas

O biogás é uma substância volátil, incolor e sem odor, que contém até 70% de metano. Em termos de indicadores de qualidade, aproxima-se do tipo tradicional de combustível – o gás natural. Tem um bom valor calorífico, 1m³ o biogás produz tanto calor quanto o produzido pela queima de um quilo e meio de carvão.

Devemos a formação do biogás às bactérias anaeróbicas, que trabalham ativamente para decompor as matérias-primas orgânicas, que incluem esterco de animais de fazenda, excrementos de pássaros e quaisquer resíduos vegetais.

Na autoprodução de biogás, podem ser utilizados excrementos de pássaros e resíduos de pequenos e grandes animais. As matérias-primas podem ser utilizadas puras ou em forma de mistura, incluindo grama, folhagem, papel velho

Para ativar o processo, é necessário criar condições favoráveis ​​​​à vida das bactérias. Devem ser semelhantes àqueles em que os microrganismos se desenvolvem em um reservatório natural - no estômago dos animais, onde é quente e não há oxigênio.

Na verdade, estas são as duas principais condições que contribuem para a transformação milagrosa do estrume podre em combustível ecológico e fertilizantes valiosos.

Para produzir biogás, é necessário um reator vedado e sem acesso ao ar, onde ocorrerá o processo de fermentação do esterco e sua decomposição em componentes:

• metano (até 70%);
• dióxido de carbono (aproximadamente 30%);
• outras substâncias gasosas (1-2%).

Os gases resultantes sobem até o topo do recipiente, de onde são bombeados para fora, e o produto residual se deposita - fertilizante orgânico de alta qualidade, que, como resultado do processamento, reteve todas as substâncias valiosas presentes no estrume - nitrogênio e fósforo, e perdeu uma parte significativa de microrganismos patogênicos.

O reator para produção de biogás deve ter um projeto totalmente vedado e sem oxigênio, caso contrário o processo de decomposição do esterco será extremamente lento

A segunda condição importante para a decomposição eficaz do estrume e a formação do biogás é o cumprimento do regime de temperatura. As bactérias que participam do processo são ativadas em temperaturas de +30 graus.

Além disso, o estrume contém dois tipos de bactérias:

• mesófilo. Sua atividade vital ocorre a uma temperatura de +30 – +40 graus;
• termofílico. Para reproduzi-los é necessário manter um regime de temperatura de +50 (+60) graus.

O tempo de processamento das matérias-primas nas fábricas do primeiro tipo depende da composição da mistura e varia de 12 a 30 dias. Ao mesmo tempo, 1 litro de área útil do reator produz 2 litros de biocombustível. Na utilização de instalações do segundo tipo, o tempo de produção do produto final é reduzido para três dias e a quantidade de biogás aumenta para 4,5 litros.

A eficiência das usinas termofílicas é visível a olho nu, porém o custo de sua manutenção é muito alto, por isso antes de escolher um ou outro método de produção de biogás é preciso calcular tudo com muito cuidado.

Apesar de a eficiência das usinas termofílicas ser dezenas de vezes maior, elas são utilizadas com muito menos frequência, pois a manutenção de altas temperaturas no reator está associada a custos elevados.

A manutenção e manutenção de plantas do tipo mesofílico são mais baratas, por isso a maioria das fazendas as utiliza para produzir biogás.

Em termos de potencial energético, o biogás é ligeiramente inferior ao gás combustível convencional. No entanto, contém vapores de ácido sulfúrico, cuja presença deve ser tida em conta na escolha dos materiais para a construção da instalação.

Cálculos da eficiência do uso do biogás

Cálculos simples ajudarão você a avaliar todos os benefícios do uso de biocombustíveis alternativos. Uma vaca pesando 500 kg produz aproximadamente 35-40 kg de esterco por dia. Essa quantidade é suficiente para obter cerca de 1,5 m³ biogás, a partir do qual podem ser gerados 3 kW/h de eletricidade.

Usando os dados da tabela, é fácil calcular quantos m³ o biogás pode ser obtido na saída de acordo com o número de animais disponíveis na fazenda

Para produzir biocombustível, pode-se usar um tipo de matéria-prima orgânica ou misturas de vários componentes com umidade de 85-90%. É importante que não contenham impurezas químicas estranhas que afetem negativamente o processo de processamento.

A receita mais simples da mistura foi inventada em 2000 por um russo da região de Lipetsk, que construiu com as próprias mãos uma instalação simples para a produção de biogás.Ele misturou 1.500 kg de esterco de vaca com 3.500 kg de resíduos vegetais diversos, adicionou água (cerca de 65% do peso de todos os ingredientes) e aqueceu a mistura a 35 graus.

Em duas semanas, o combustível grátis estará pronto. Esta pequena instalação produziu 40 m³ gás por dia, o que dava para aquecer a casa e os anexos durante seis meses.

Opções para plantas de produção de biocombustíveis

Após fazer os cálculos, você precisa decidir como fazer a instalação para obter o biogás de acordo com a necessidade da sua fazenda. Se o número de animais for pequeno, então a opção mais simples é adequada, fácil de fazer com as próprias mãos com os materiais disponíveis.

Para grandes fazendas que possuem uma fonte constante de grandes quantidades de matéria-prima, é aconselhável construir um sistema industrial automatizado de biogás. Neste caso, dificilmente será possível prescindir do envolvimento de especialistas que desenvolverão o projeto e instalarão a instalação a nível profissional.

O diagrama mostra claramente como funciona um complexo industrial automatizado para produção de biogás. A construção desta escala pode ser organizada para várias fazendas localizadas nas proximidades.

Hoje são dezenas de empresas que podem oferecer diversas opções: desde soluções prontas até o desenvolvimento de um projeto individual. Para reduzir o custo de construção, você pode cooperar com fazendas vizinhas (se houver) e construir uma instalação de produção de biogás para todas elas.

Ressalta-se que para construir mesmo uma pequena instalação é necessário elaborar a documentação pertinente, fazer um diagrama tecnológico, um plano de colocação de equipamentos e ventilação (se o equipamento for instalado em ambientes fechados), e passar por procedimentos de homologação junto à SES, fiscalização de incêndio e gás.

Uma mini-planta de produção de gás para cobrir as necessidades de um pequeno agregado familiar pode ser feita com as próprias mãos, apostando na concepção e desenho específico de instalações produzidas à escala industrial.

Os projetos de instalações para processamento de esterco e matéria orgânica vegetal em biogás não são complicados. O original produzido pela indústria é bastante adequado como modelo para construir sua própria minifábrica

Os artesãos independentes que decidem construir a sua própria instalação precisam de estocar um reservatório de água, canos plásticos de abastecimento de água ou esgoto, curvas de canto, vedações e um cilindro para armazenar o gás produzido na instalação.

Características do sistema de biogás

Uma planta de biogás completa é um sistema complexo que consiste em:

1. Biorreator, onde ocorre o processo de decomposição do esterco;
2. Sistema automatizado de abastecimento de resíduos orgânicos;
3. Dispositivos de mistura de biomassa;
4. Equipamentos para manter condições ótimas de temperatura;
5. Tanques de gás – tanques de armazenamento de gás;
6. Receptor de resíduos sólidos.

Todos os elementos acima são instalados em instalações industriais operando em modo automático. Os reatores domésticos, via de regra, possuem um projeto mais simplificado.

O diagrama mostra os principais componentes de um sistema automatizado de biogás.O volume do reator depende da ingestão diária de matéria-prima orgânica. Para que a instalação funcione plenamente, o reator deve estar cheio até dois terços do seu volume.

Princípio de funcionamento da instalação

O principal elemento do sistema é o biorreator. Existem várias opções para a sua implementação, o principal é garantir a estanqueidade da estrutura e evitar a entrada de oxigénio. Pode ser feito na forma de um recipiente metálico de vários formatos (geralmente cilíndrico), localizado na superfície. Freqüentemente, tanques de combustível vazios de 50 cc são usados ​​para esses fins.

Você pode comprar recipientes dobráveis ​​​​prontos. Sua vantagem é a possibilidade de desmontagem rápida e, se necessário, transporte para outro local. É aconselhável utilizar instalações industriais de superfície em grandes fazendas onde haja um fluxo constante de grandes quantidades de matérias-primas orgânicas.

Para pequenas propriedades, a opção de colocação subterrânea do tanque é mais adequada. Um bunker subterrâneo é construído em tijolo ou concreto. Você pode enterrar no solo recipientes prontos, por exemplo, barris de metal, aço inoxidável ou PVC. Também é possível colocá-los superficialmente na rua ou em local especialmente designado e com boa ventilação.

Para fabricar uma planta de produção de biogás, você pode adquirir recipientes de PVC prontos e instalá-los em uma sala equipada com sistema de ventilação

Independentemente de onde e como o reator esteja localizado, ele é equipado com um bunker para carregamento de esterco. Antes de carregar a matéria-prima, ela deve passar por um preparo preliminar: é triturada em frações não maiores que 0,7 mm e diluída em água. Idealmente, a umidade do substrato deve ser de cerca de 90%.

As instalações automatizadas do tipo industrial são equipadas com um sistema de abastecimento de matéria-prima, incluindo um receptor no qual a mistura é levada ao nível de umidade necessário, uma tubulação de abastecimento de água e uma unidade de bombeamento para bombear a massa para o biorreator.

Nas instalações domésticas para preparação do substrato, são utilizados recipientes separados onde os resíduos são triturados e misturados com água. Em seguida, a massa é carregada no compartimento receptor. Nos reatores localizados no subsolo, a tremonha de recebimento do substrato é retirada e a mistura preparada flui por gravidade através de uma tubulação até a câmara de fermentação.

Se o reator estiver localizado no solo ou em ambientes fechados, o tubo de entrada com o dispositivo receptor pode estar localizado na parte inferior do tanque. Também é possível levar o tubo até o topo e colocar um encaixe no pescoço. Neste caso, a biomassa deverá ser fornecida por meio de bomba.

Também é necessário prever um orifício de saída no biorreator, que é feito quase no fundo do recipiente, no lado oposto ao funil de entrada. Quando colocado no subsolo, o tubo de saída é instalado obliquamente para cima e conduz a um recipiente de resíduos, em forma de caixa retangular. Sua borda superior deve ficar abaixo do nível da entrada.

Os tubos de entrada e saída estão localizados obliquamente para cima em diferentes lados do tanque, enquanto o tanque de compensação no qual os resíduos entram deve estar abaixo da tremonha receptora

O processo ocorre da seguinte forma: a tremonha de entrada recebe um novo lote de substrato, que flui para o reator, ao mesmo tempo em que a mesma quantidade de massa residual sobe através de uma tubulação até o receptor de resíduos, de onde é posteriormente retirada e utilizada como biofertilizante de alta qualidade.

O biogás é armazenado em um tanque de gás. Na maioria das vezes, está localizado diretamente no teto do reator e tem o formato de uma cúpula ou cone. É feito de ferro para telhados e, a seguir, para evitar processos corrosivos, é pintado com várias camadas de tinta a óleo.

Em instalações industriais concebidas para produzir grandes quantidades de gás, o tanque de gás é muitas vezes construído na forma de um tanque separado ligado ao reactor por uma conduta.

O gás produzido pela fermentação não é adequado para uso porque contém grande quantidade de vapor d'água e não queima nesta forma. Para purificá-lo das frações de água, o gás passa por um selo d'água. Para isso, é retirada uma tubulação do tanque de gás, por onde o biogás entra em um recipiente com água, e de lá é fornecido aos consumidores por meio de uma tubulação de plástico ou metal.

Esquema de instalação localizada no subsolo. As aberturas de entrada e saída devem estar localizadas em lados opostos do recipiente. Há um selo d'água acima do reator através do qual o gás resultante passa para secar.

Em alguns casos, sacos especiais para armazenamento de gás feitos de cloreto de polivinila são usados ​​para armazenar gás. Os sacos são colocados junto à instalação e gradualmente preenchidos com gás.À medida que são preenchidos, o material elástico infla e o volume dos sacos aumenta, permitindo armazenar temporariamente mais do produto final, se necessário.

Condições para operação eficiente de um biorreator

Para o funcionamento eficiente da instalação e liberação intensiva de biogás, é necessária uma fermentação uniforme do substrato orgânico. A mistura deve estar em constante movimento. Caso contrário, forma-se uma crosta, o processo de decomposição fica mais lento e, como resultado, é produzido menos gás do que o inicialmente calculado.

Para garantir a mistura ativa da biomassa, misturadores submersíveis ou inclinados equipados com acionamento elétrico são instalados na parte superior ou lateral de um reator típico. Nas instalações caseiras, a mistura é feita mecanicamente por meio de um dispositivo semelhante a uma batedeira doméstica. Pode ser controlado manualmente ou equipado com acionamento elétrico.

Quando o reator é posicionado verticalmente, a alça do agitador fica localizada na parte superior da instalação. Se o recipiente for instalado horizontalmente, o sem-fim também estará localizado no plano horizontal e a alça estará localizada na lateral do biorreator

Uma das condições mais importantes para a produção de biogás é a manutenção da temperatura necessária no reator. O aquecimento pode ser realizado de diversas maneiras. Nas instalações estacionárias, são utilizados sistemas de aquecimento automatizados, que ligam quando a temperatura cai abaixo de um nível pré-determinado e desligam quando a temperatura desejada é atingida.

Pode ser usado para aquecimento caldeiras a gás, realize o aquecimento direto com dispositivos de aquecimento elétricos ou instale um elemento de aquecimento na base do recipiente.

Para reduzir a perda de calor, recomenda-se construir uma pequena moldura ao redor do reator com uma camada de lã de vidro ou cobrir a instalação com isolamento térmico. Possui boas propriedades de isolamento térmico poliestireno expandido e suas outras variedades.

Para configurar um sistema de aquecimento de biomassa, você pode instalar uma tubulação do sistema de aquecimento doméstico, que é alimentada pelo reator

Determinando o volume necessário

O volume do reator é determinado com base na quantidade diária de esterco produzido na fazenda. Também é necessário levar em consideração o tipo de matéria-prima, a temperatura e o tempo de fermentação. Para que a instalação funcione totalmente, o recipiente é preenchido até 85-90% do volume, pelo menos 10% deve permanecer livre para que o gás escape.

O processo de decomposição da matéria orgânica em uma instalação mesófila a uma temperatura média de 35 graus dura 12 dias, após os quais os resíduos fermentados são removidos e o reator é preenchido com uma nova porção do substrato. Como os resíduos são diluídos em água em até 90% antes de serem enviados ao reator, a quantidade de líquido também deve ser levada em consideração na determinação da carga diária.

Com base nos indicadores apresentados, o volume do reator será igual à quantidade diária de substrato preparado (estrume com água) multiplicada por 12 (tempo necessário para a decomposição da biomassa) e aumentada em 10% (volume livre do recipiente).

Construção de uma estrutura subterrânea

Agora vamos falar sobre a instalação mais simples que permite obter biogás em casa pelo menor custo. Considere construir um sistema subterrâneo. Para fazer isso, é necessário cavar um buraco, sua base e paredes são preenchidas com concreto armado de argila expandida.

As aberturas de entrada e saída estão localizadas em lados opostos da câmara, onde são montados tubos inclinados para abastecimento do substrato e bombeamento da massa residual.

O tubo de saída com diâmetro de aproximadamente 7 cm deve ficar localizado quase no fundo do bunker, sua outra extremidade é montada em um tanque de compensação retangular para onde serão bombeados os resíduos. A tubulação de abastecimento do substrato está localizada a aproximadamente 50 cm do fundo e tem diâmetro de 25 a 35 cm, sendo que a parte superior da tubulação entra no compartimento de recebimento da matéria-prima.

O reator deve estar completamente vedado. Para excluir a possibilidade de entrada de ar, o recipiente deve ser coberto com uma camada de impermeabilização betuminosa

A parte superior do bunker é um reservatório de gás, que tem formato de cúpula ou cone. É feito de chapas de metal ou ferro para telhados. Também pode-se completar a estrutura com alvenaria, que depois é revestida com malha de aço e rebocada. É necessário fazer uma escotilha selada no topo do tanque de gás, remover o tubo de gás que passa pelo selo d'água e instalar uma válvula para aliviar a pressão do gás.

Para misturar o substrato, pode-se equipar a instalação com um sistema de drenagem que funciona segundo o princípio do borbulhamento. Para isso, fixe verticalmente os tubos plásticos no interior da estrutura de forma que sua borda superior fique acima da camada de substrato. Faça muitos buracos neles. O gás sob pressão cairá e, subindo, as bolhas de gás misturarão a biomassa no recipiente.

Se você não deseja construir um bunker de concreto, pode comprar um contêiner de PVC pronto. Para preservar o calor, deve ser circundado por uma camada de isolamento térmico - espuma de poliestireno. O fundo da cava é preenchido com uma camada de concreto armado de 10 cm.Tanques feitos de cloreto de polivinila podem ser usados ​​se o volume do reator não exceder 3 m3.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Você aprenderá como fazer a instalação mais simples de um barril comum se assistir ao vídeo:

Você pode ver como ocorre a construção de um reator subterrâneo no vídeo:

A forma como o estrume é carregado em uma instalação subterrânea é mostrada no vídeo a seguir:

Uma instalação de produção de biogás a partir de esterco permitirá economizar significativamente nos custos de calor e eletricidade e utilizar matéria orgânica, disponível em abundância em todas as fazendas, por uma boa causa. Antes de iniciar a construção, tudo deve ser cuidadosamente calculado e preparado.

O reator mais simples pode ser feito em poucos dias com as próprias mãos, utilizando os materiais disponíveis. Se a fazenda for grande, o melhor é comprar uma instalação pronta ou entrar em contato com especialistas.

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