Comment produire du biogaz à partir de fumier : un aperçu des principes de base et de la conception d'une usine de production

Les agriculteurs sont chaque année confrontés au problème de l'élimination du fumier.Les fonds considérables nécessaires à l'organisation de son enlèvement et de son enterrement sont gaspillés. Mais il existe un moyen qui vous permet non seulement d’économiser votre argent, mais aussi de mettre ce produit naturel à votre service.

Les propriétaires économes mettent depuis longtemps en pratique une écotechnologie qui permet d'obtenir du biogaz à partir du fumier et d'utiliser le résultat comme carburant.

Par conséquent, dans notre matériel, nous parlerons de la technologie de production de biogaz, ainsi que de la façon de construire une usine de bioénergie.

Avantages de l'utilisation de la biotechnologie

Technologie obtenir du biocarburant provenant de diverses sources naturelles n’est pas nouveau. Les recherches dans ce domaine ont débuté à la fin du XVIIIe siècle et se sont développées avec succès au XIXe siècle. En Union soviétique, la première usine de bioénergie a été créée dans les années quarante du siècle dernier.

Les biotechnologies sont utilisées depuis longtemps dans de nombreux pays, mais elles gagnent aujourd'hui une importance particulière. En raison de la détérioration de la situation environnementale de la planète et du coût élevé de l’énergie, nombreux sont ceux qui se tournent vers des sources alternatives d’énergie et de chaleur.

La technologie de transformation du fumier en biogaz permet de réduire la quantité d'émissions nocives de méthane dans l'atmosphère et d'obtenir une source supplémentaire d'énergie thermique

Bien sûr, le fumier est un engrais très précieux, et s'il y a deux vaches sur la ferme, son utilisation ne pose aucun problème. Il en va tout autrement lorsqu’il s’agit d’exploitations avec du bétail de grande et moyenne taille, où sont générées chaque année des tonnes de matériel biologique nauséabond et pourri.

Pour que le fumier se transforme en engrais de haute qualité, des zones avec un certain régime de température sont nécessaires, ce qui représente une dépense supplémentaire. C’est pourquoi de nombreux agriculteurs le stockent partout où ils le peuvent et l’apportent ensuite dans les champs.

En fonction du volume de matières premières générées par jour, les dimensions de l'installation et le degré de son automatisation doivent être sélectionnés

Si les conditions de stockage ne sont pas remplies, jusqu'à 40 % de l'azote et la majeure partie du phosphore s'évaporent du fumier, ce qui dégrade considérablement ses indicateurs de qualité. De plus, du méthane est libéré dans l’atmosphère, ce qui a un impact négatif sur la situation environnementale de la planète.

Les biotechnologies modernes permettent non seulement de neutraliser les effets nocifs du méthane sur l'environnement, mais aussi de le mettre au service des populations, tout en en récoltant des bénéfices économiques considérables. Par conséquent la transformation du fumier produit du biogaz, à partir duquel des milliers de kW d'énergie peuvent alors être obtenus, et les déchets de production représentent un engrais anaérobie très précieux.

Mécanisme de formation de gaz à partir de matières premières organiques

Le biogaz est une substance volatile, sans couleur ni odeur, qui contient jusqu'à 70 % de méthane. En termes d'indicateurs de qualité, il se rapproche du type de combustible traditionnel – le gaz naturel. A un bon pouvoir calorifique, 1m³ le biogaz produit autant de chaleur que la combustion d’un kilo et demi de charbon.

Nous devons la formation du biogaz aux bactéries anaérobies, qui travaillent activement à décomposer les matières premières organiques, parmi lesquelles le fumier des animaux de ferme, les excréments d'oiseaux et tout déchet végétal.

Dans l'autoproduction de biogaz, les déjections d'oiseaux et les déchets du petit et du gros bétail peuvent être utilisés. Les matières premières peuvent être utilisées sous forme pure ou sous forme de mélange comprenant de l'herbe, du feuillage, du vieux papier

Pour activer le processus, il est nécessaire de créer des conditions favorables à la vie des bactéries. Ils devraient être similaires à ceux dans lesquels les micro-organismes se développent dans un réservoir naturel - dans l'estomac des animaux, où il fait chaud et où il n'y a pas d'oxygène.

En fait, ce sont les deux principales conditions qui contribuent à la transformation miraculeuse du fumier pourri en carburant respectueux de l’environnement et en engrais précieux.

Pour produire du biogaz, vous avez besoin d'un réacteur scellé sans accès à l'air, où se déroulera le processus de fermentation du fumier et sa décomposition en composants :

• méthane (jusqu'à 70%) ;
• gaz carbonique (environ 30 %) ;
• autres substances gazeuses (1-2%).

Les gaz résultants montent au sommet du conteneur, d'où ils sont ensuite pompés, et le produit résiduel se dépose - un engrais organique de haute qualité qui, à la suite du traitement, a retenu toutes les substances précieuses présentes dans le fumier. - de l'azote et du phosphore, et a perdu une part importante des micro-organismes pathogènes.

Le réacteur de production de biogaz doit avoir une conception complètement étanche dans laquelle il n'y a pas d'oxygène, sinon le processus de décomposition du fumier sera extrêmement lent.

La deuxième condition importante pour la décomposition efficace du fumier et la formation de biogaz est le respect du régime de température. Les bactéries participant au processus sont activées à des températures allant de +30 degrés.

De plus, le fumier contient deux types de bactéries :

• mésophile. Leur activité vitale se déroule à une température de +30 à +40 degrés ;
• thermophile. Pour les reproduire, il est nécessaire de maintenir un régime de température de +50 (+60) degrés.

Le temps de traitement des matières premières dans les installations du premier type dépend de la composition du mélange et varie de 12 à 30 jours. Dans le même temps, 1 litre de surface utile du réacteur produit 2 litres de biocarburant. Lors de l'utilisation d'installations du deuxième type, le temps de production du produit final est réduit à trois jours et la quantité de biogaz augmente à 4,5 litres.

L'efficacité des plantes thermophiles est visible à l'œil nu, cependant, le coût de leur entretien est très élevé, donc avant de choisir l'une ou l'autre méthode de production de biogaz, il faut tout calculer très soigneusement.

Malgré le fait que l'efficacité des installations thermophiles soit des dizaines de fois supérieure, elles sont utilisées beaucoup moins fréquemment, car le maintien de températures élevées dans le réacteur est associé à des coûts élevés.

L'entretien et la maintenance des installations de type mésophile sont moins chers, c'est pourquoi la plupart des exploitations agricoles les utilisent pour produire du biogaz.

En termes de potentiel énergétique, le biogaz est légèrement inférieur au gaz combustible conventionnel. Cependant, il contient des fumées d'acide sulfurique dont la présence doit être prise en compte lors du choix des matériaux pour la construction de l'installation.

Calculs de l'efficacité de l'utilisation du biogaz

Des calculs simples vous aideront à évaluer tous les avantages de l’utilisation de biocarburants alternatifs. Une vache pesant 500 kg produit environ 35 à 40 kg de fumier par jour. Ce montant est suffisant pour obtenir environ 1,5 m³ du biogaz, à partir duquel 3 kW/h d'électricité peuvent être produits.

En utilisant les données du tableau, il est facile de calculer combien de m³ le biogaz peut être obtenu à la sortie en fonction du nombre de têtes de bétail disponibles sur l'exploitation

Pour obtenir du biocarburant, vous pouvez utiliser soit un type de matière première organique, soit des mélanges de plusieurs composants avec une humidité de 85 à 90 %. Il est important qu'ils ne contiennent pas d'impuretés chimiques étrangères qui affecteraient négativement le processus de traitement.

La recette la plus simple du mélange a été inventée en 2000 par un Russe de la région de Lipetsk, qui a construit de ses propres mains une installation simple pour produire du biogaz.Il a mélangé 1 500 kg de fumier de vache avec 3 500 kg de déchets végétaux divers, ajouté de l'eau (environ 65 % du poids de tous les ingrédients) et chauffé le mélange à 35 degrés.

Dans deux semaines, le carburant gratuit est prêt. Cette petite installation a produit 40 m³ du gaz par jour, ce qui suffisait à chauffer la maison et les dépendances pendant six mois.

Options pour les usines de production de biocarburants

Après avoir effectué les calculs, vous devez décider comment réaliser l'installation afin d'obtenir du biogaz en fonction des besoins de votre exploitation. Si le nombre de têtes de bétail est petit, l'option la plus simple convient, facile à fabriquer de vos propres mains à partir des matériaux disponibles.

Pour les grandes exploitations agricoles disposant d’une source constante de grandes quantités de matières premières, il est conseillé de construire un système de biogaz industriel automatisé. Dans ce cas, il est peu probable qu'il soit possible de se passer de l'intervention de spécialistes qui développeront le projet et installeront l'installation à un niveau professionnel.

Le schéma montre clairement comment fonctionne un complexe industriel automatisé de production de biogaz. Une construction d'une telle échelle peut être organisée pour plusieurs fermes situées à proximité

Il existe aujourd'hui des dizaines d'entreprises qui peuvent proposer de nombreuses options : des solutions toutes faites au développement d'un projet individuel. Pour réduire le coût de construction, vous pouvez coopérer avec les fermes voisines (s'il y en a à proximité) et construire une seule installation de production de biogaz pour toutes.

Il est à noter que pour construire même une petite installation, il est nécessaire d'établir les documents pertinents, de réaliser un schéma technologique, un plan de placement des équipements et de ventilation (si l'équipement est installé à l'intérieur), et de passer par les procédures d'approbation. avec le SES, inspection incendie et gaz.

Une mini-usine de production de gaz destinée à couvrir les besoins d'un petit ménage privé peut être réalisée de vos propres mains, en se concentrant sur la conception et la conception spécifique d'installations produites à l'échelle industrielle.

Les conceptions d’installations de transformation des fumiers et des matières organiques végétales en biogaz ne sont pas compliquées. L'original produit par l'industrie convient tout à fait comme modèle pour construire votre propre mini-usine

Les artisans indépendants qui décident de construire leur propre installation doivent s'approvisionner en réservoir d'eau, en tuyaux d'alimentation en eau ou en plastique d'égout, en coudes d'angle, en joints et en une bouteille pour stocker le gaz produit dans l'installation.

Caractéristiques du système de biogaz

Une installation de biogaz complète est un système complexe composé de :

1. Bioréacteur, où se déroule le processus de décomposition du fumier ;
2. Système automatisé d'approvisionnement en déchets organiques ;
3. Dispositifs de mélange de biomasse ;
4. Équipement pour maintenir des conditions de température optimales ;
5. Réservoirs de gaz – réservoirs de stockage de gaz ;
6. Récepteur de déchets solides.

Tous les éléments ci-dessus sont installés dans des installations industrielles fonctionnant en mode automatique. En règle générale, les réacteurs domestiques ont une conception plus simplifiée.

Le diagramme montre les principaux composants d'un système de biogaz automatisé.Le volume du réacteur dépend de l'apport quotidien en matières premières organiques. Pour que l'installation fonctionne pleinement, le réacteur doit être rempli aux deux tiers de son volume.

Principe de fonctionnement de l'installation

L'élément principal du système est le bioréacteur. Il existe plusieurs options pour sa mise en œuvre, l'essentiel est d'assurer l'étanchéité de la structure et d'empêcher la pénétration d'oxygène. Il peut être réalisé sous la forme d'un récipient métallique de formes diverses (généralement cylindrique), situé en surface. Des réservoirs de carburant vides de 50 cc sont souvent utilisés à ces fins.

Vous pouvez acheter des conteneurs pliables prêts à l'emploi. Leur avantage est la possibilité de les démonter rapidement et, si nécessaire, de les transporter vers un autre endroit. Il est conseillé d'utiliser des installations industrielles de surface dans les grandes exploitations où il y a un afflux constant de grandes quantités de matières premières organiques.

Pour les petites exploitations agricoles, l’option de placement souterrain du réservoir est plus appropriée. Un bunker souterrain est construit en brique ou en béton. Vous pouvez enterrer des conteneurs prêts à l'emploi dans le sol, par exemple des fûts en métal, en acier inoxydable ou en PVC. Il est également possible de les placer superficiellement dans la rue ou dans une pièce spécialement désignée et bien ventilée.

Pour fabriquer une usine de production de biogaz, vous pouvez acheter des conteneurs en PVC prêts à l'emploi et les installer dans un local équipé d'un système de ventilation.

Quel que soit l'endroit et la manière dont se trouve le réacteur, il est équipé d'une trémie pour le chargement du fumier. Avant de charger la matière première, celle-ci doit subir une préparation préalable : elle est broyée en fractions ne dépassant pas 0,7 mm et diluée avec de l'eau. Idéalement, l'humidité du substrat devrait être d'environ 90 %.

Les installations automatisées de type industriel sont équipées d'un système d'alimentation en matières premières, comprenant un récepteur dans lequel le mélange est amené au niveau d'humidité requis, une canalisation d'alimentation en eau et une unité de pompage pour pomper la masse dans le bioréacteur.

Dans les installations domestiques de préparation du substrat, des conteneurs séparés sont utilisés où les déchets sont broyés et mélangés avec de l'eau. Ensuite, la masse est chargée dans le compartiment de réception. Dans les réacteurs situés sous terre, la trémie de réception du substrat est sortie et le mélange préparé s'écoule par gravité à travers une canalisation jusqu'à la chambre de fermentation.

Si le réacteur est situé au sol ou à l'intérieur, le tuyau d'entrée avec le dispositif de réception peut être situé dans la partie inférieure du réservoir. Il est également possible de ramener le tuyau vers le haut et de mettre une douille sur son col. Dans ce cas, la biomasse devra être fournie à l'aide d'une pompe.

Il est également nécessaire de prévoir un trou de sortie dans le bioréacteur, qui est réalisé presque au fond du conteneur du côté opposé à la trémie d'entrée. Lorsqu’il est placé sous terre, le tuyau de sortie est installé obliquement vers le haut et mène à une poubelle en forme de boîte rectangulaire. Son bord supérieur doit être en dessous du niveau de l'entrée.

Les tuyaux d'entrée et de sortie sont situés obliquement vers le haut sur différents côtés du réservoir, tandis que le réservoir de compensation dans lequel entrent les déchets doit être en dessous de la trémie de réception.

Le processus se déroule comme suit : la trémie d'entrée reçoit un nouveau lot de substrat, qui s'écoule dans le réacteur, en même temps la même quantité de masse de déchets monte par un tuyau jusqu'au récepteur de déchets, d'où elle est ensuite évacuée et utilisée. comme biofertilisant de haute qualité.

Le biogaz est stocké dans un réservoir de gaz. Le plus souvent, il est situé directement sur le toit du réacteur et a la forme d'un dôme ou d'un cône. Il est fabriqué à partir de fer à toiture et ensuite, pour éviter les processus de corrosion, il est peint avec plusieurs couches de peinture à l'huile.

Dans les installations industrielles destinées à produire de grandes quantités de gaz, le réservoir de gaz est souvent construit sous la forme d'un réservoir séparé relié au réacteur par une canalisation.

Le gaz produit par la fermentation ne convient pas à l'utilisation car il contient une grande quantité de vapeur d'eau et ne brûle pas sous cette forme. Pour le purifier des fractions d'eau, le gaz passe à travers un joint hydraulique. Pour ce faire, un tuyau est retiré du réservoir de gaz, à travers lequel le biogaz pénètre dans un récipient contenant de l'eau, et de là, il est fourni aux consommateurs par un tuyau en plastique ou en métal.

Schéma d'installation situé sous terre. Les ouvertures d'entrée et de sortie doivent être situées sur les côtés opposés du conteneur. Il y a un joint hydraulique au-dessus du réacteur à travers lequel le gaz résultant passe à sécher.

Dans certains cas, des sacs spéciaux de gazomètre en polychlorure de vinyle sont utilisés pour stocker le gaz. Les sacs sont placés à côté de l'installation et remplis progressivement de gaz.Au fur et à mesure qu'ils sont remplis, le matériau élastique gonfle et le volume des sacs augmente, permettant de stocker temporairement une plus grande partie du produit final si nécessaire.

Conditions de fonctionnement efficace d'un bioréacteur

Pour un fonctionnement efficace de l’installation et un dégagement intensif de biogaz, une fermentation uniforme du substrat organique est nécessaire. Le mélange doit être en mouvement constant. Sinon, une croûte se forme dessus, le processus de décomposition ralentit et, par conséquent, moins de gaz est produit que prévu initialement.

Pour assurer un mélange actif de la biomasse, des mélangeurs submersibles ou inclinés équipés d'un entraînement électrique sont installés dans la partie supérieure ou latérale d'un réacteur typique. Dans les installations artisanales, le mélange se fait mécaniquement à l'aide d'un appareil ressemblant à un mélangeur domestique. Il peut être commandé manuellement ou équipé d'un entraînement électrique.

Lorsque le réacteur est positionné verticalement, la poignée de l'agitateur est située en haut de l'installation. Si le conteneur est installé horizontalement, la vis sans fin est également située dans un plan horizontal et la poignée est située sur le côté du bioréacteur

L’une des conditions les plus importantes pour produire du biogaz est le maintien de la température requise dans le réacteur. Le chauffage peut être réalisé de plusieurs manières. Dans les installations fixes, des systèmes de chauffage automatisés sont utilisés, qui s'allument lorsque la température descend en dessous d'un niveau prédéterminé et s'éteignent lorsque la température requise est atteinte.

Peut être utilisé pour le chauffage chaudières à gaz, effectuez un chauffage direct avec des appareils de chauffage électriques ou installez un élément chauffant dans le fond du récipient.

Pour réduire les pertes de chaleur, il est recommandé de construire une petite charpente autour du réacteur avec une couche de laine de verre ou de recouvrir l'installation d'une isolation thermique. Possède de bonnes propriétés d'isolation thermique polystyrène expansé et ses autres variétés.

Pour mettre en place un système de chauffage à la biomasse, vous pouvez faire passer un pipeline à partir du système de chauffage domestique, qui est alimenté par le réacteur.

Détermination du volume requis

Le volume du réacteur est déterminé en fonction de la quantité quotidienne de fumier produite sur la ferme. Il faut également prendre en compte le type de matière première, la température et le temps de fermentation. Pour que l'installation fonctionne pleinement, le conteneur est rempli à 85-90 % du volume, au moins 10 % doivent rester libres pour que le gaz s'échappe.

Le processus de décomposition de la matière organique dans une installation mésophile à une température moyenne de 35 degrés dure 12 jours, après quoi les résidus fermentés sont éliminés et le réacteur est rempli d'une nouvelle partie du substrat. Les déchets étant dilués avec de l'eau jusqu'à 90 % avant d'être envoyés au réacteur, la quantité de liquide doit également être prise en compte pour déterminer la charge journalière.

Sur la base des indicateurs donnés, le volume du réacteur sera égal à la quantité quotidienne de substrat préparé (fumier avec de l'eau) multipliée par 12 (le temps nécessaire à la décomposition de la biomasse) et augmentée de 10 % (le volume libre du conteneur).

Construction d'un ouvrage souterrain

Parlons maintenant de l'installation la plus simple qui vous permet d'obtenir biogaz à la maison au moindre coût. Pensez à construire un système souterrain. Pour le réaliser, il faut creuser un trou, sa base et ses murs sont remplis de béton d'argile expansé armé.

Les ouvertures d'entrée et de sortie sont situées sur les côtés opposés de la chambre, où des tuyaux inclinés sont montés pour alimenter le substrat et pomper la masse de déchets.

Le tuyau de sortie d'un diamètre d'environ 7 cm doit être situé presque tout en bas du bunker, son autre extrémité est montée dans un réservoir de compensation rectangulaire dans lequel les déchets seront pompés. Le pipeline d'alimentation en substrat est situé à environ 50 cm du fond et a un diamètre de 25 à 35 cm. La partie supérieure du tuyau pénètre dans le compartiment de réception des matières premières.

Le réacteur doit être complètement scellé. Pour exclure la possibilité d'entrée d'air, le conteneur doit être recouvert d'une couche d'imperméabilisation bitumineuse

La partie supérieure du bunker est un gazomètre en forme de dôme ou de cône. Il est constitué de tôles ou de fer à toiture. Vous pouvez également compléter la structure avec de la maçonnerie, qui est ensuite recouverte d'un treillis en acier et enduite. Vous devez créer une trappe scellée au-dessus du réservoir de gaz, retirer le tuyau de gaz passant à travers le joint hydraulique et installer une vanne pour relâcher la pression du gaz.

Pour mélanger le substrat, vous pouvez équiper l'installation d'un système de drainage fonctionnant sur le principe du barbotage. Pour ce faire, fixez verticalement les tuyaux en plastique à l'intérieur de la structure de manière à ce que leur bord supérieur soit au-dessus de la couche de substrat. Faites beaucoup de trous dedans. Le gaz sous pression tombera et en remontant, des bulles de gaz mélangeront la biomasse dans le conteneur.

Si vous ne souhaitez pas construire de bunker en béton, vous pouvez acheter un conteneur en PVC prêt à l'emploi. Pour conserver la chaleur, il doit être entouré d'une couche d'isolation thermique - mousse de polystyrène. Le fond de la fosse est rempli d'une couche de béton armé de 10 cm.Des réservoirs en polychlorure de vinyle peuvent être utilisés si le volume du réacteur ne dépasse pas 3 m3.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vous apprendrez comment réaliser l'installation la plus simple à partir d'un baril ordinaire si vous regardez la vidéo :

Vous pouvez voir comment se déroule la construction d'un réacteur souterrain dans la vidéo :

La façon dont le fumier est chargé dans une installation souterraine est illustrée dans la vidéo suivante :

Une installation de production de biogaz à partir du fumier vous permettra d'économiser considérablement sur les coûts de chauffage et d'électricité et d'utiliser la matière organique, disponible en abondance dans chaque ferme, pour une bonne cause. Avant de commencer la construction, tout doit être soigneusement calculé et préparé.

Le réacteur le plus simple peut être fabriqué de vos propres mains en quelques jours, en utilisant les matériaux disponibles. Si la ferme est grande, il est préférable d'acheter une installation prête à l'emploi ou de contacter des spécialistes.

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