CC BY
22Биотехнология
УДК 579.66 DOI: 10.34130/2306-6229-2021-2-81
АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА ИЗ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА
ALTERNATIVE METHOD OF OBTAINING BIOGAS THROUGH THE WASTE PRODUCTS OF THE STOCKBREEDING
К. А. Сарыев, М. Р. Оразбердиева, А. А. Матьякубов
K. А. Saryyev, M. R. Orazberdiyeva, A. A. Matyakubov
В работе приводятся результаты исследования авторов научно-производственного центра «Возобновляемые источники энергии» Государственного энергетического института Туркменистана по получению биогаза из отходов животноводства с применением анаэробного метода. Данный вид биогаза получен с помощью специально сконструированной биогазовой установки с объёмом 0.5 м3. Качество полученного биогаза указывает, что на его химический состав существенно влияет состав отходов, а на скорость гниения отходов значительно влияет температура окружающей среды. Состав полученного биогаза был протестирован в лаборатории центра.
The given scientific work reflects the results of the authors' research of the "Renewable Energy Sources" Scienitific-produitional Center of the State Energy Institute of Turkmenistan on obtaining biogas through the waste products of the stockbreeding using anaerobic method. This type of biogas was obtained by means of the specially designed biogas installation with the capacity 0.5 m3. The quality of the obtained biogas indicates that the composition of the waste products essentially influences on its chemical composition, and the ambient temperature considerably influences on the speed of the waste products decomposition. The composition of the biogas was tested in the laboratory.
Ключевые слова: отходы животноводства, биомасса, биогаз, биоудобрение.
Keywords: stockbreeding waste products, biomass, biogas, bio fertilizer.
Введение
Экологически безопасным и экономически выгодным решением проблемы снижения выбросов парниковых газов в атмосферу является получение биогаза путем переработки анаэробным методом отходов растениеводства, животноводства, навоза и других отходов сельскохозяйственных предприятий на биогазовой установке. Биогаз образуется в результате окисления органических отходов без доступа воздуха (анаэробный метод) [1].
Цель работы - разработка технологии получения биогаза на биогазовой установке путем переработки сельскохозяйственных отходов анаэробным методом.
Материалы и методы
Биогаз - это комплекс газов, состоящий в основном из смеси метана (СН4) -55-70 %, углекислого газа (СО2) - 28-43 %, сероводорода (Ш8) и других газов. В среднем при распаде 70 % 1 кг биологического вещества образуется 0.18 кг метана, 0.32 кг углекислого газа, 0.2 кг воды и 0.3 кг нерастворимых остатков. Для устойчивого горения газа необходимо, чтобы в его составе концентрация метана была от 55 до 85 %.
С экономической точки зрения очень выгодно получать топливо из биогаза путем использования дешевого сырья. Так как почвы быстро впитывают свежий навоз, то по этой причине загрязняются грунтовые воды и воздух. Это создает оптимальные условия для поражения почвы вредными микроорганизмами. В навозе животных болезнетворные бактерии не теряют жизнеспособности, сохраняются семена сорняков.
При переработке сельскохозяйственных отходов и промышленных органических отходов на современных биогазовых установках существенно снижается загрязнение почвы, воды и воздуха. В ходе названного процесса уничтожаются опасные бактерии, вирусы, уменьшается выделение неприятных запахов. Работающая установка становится местным источником энергии. Основной задачей этой технологии является профилактика вредного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую среду.
Переработка отходов - это, в первую очередь, быстро окупающаяся и приносящая прибыль форма деятельности. При переработке отходов образуются: биогаз, электроэнергия, тепловая энергия и биоудобрение. Биогазовые установки имеют короткий срок самоокупаемости, так как используемое сырье бесплатно, потребление электроэнергии незначительно, а при полной автоматизации устройства и заработная плата обслуживающего персонала будет составлять незначительную долю в стоимости конечного продукта [2].
При внесении биоудобрений в почву улучшаются ее физические и физико-механические свойства, повышается биологическая активность. В повышении продуктивности растений роль биоудобрений значительна. Например, урожайность озимой пшеницы повышается на 15-20 %; сахарной свеклы - до 20 %; кукурузы - до 20-30 %; картофеля - до 30 % [2]. Химический состав биоудобрений разной влажности показан в табл. 1, 2.
Таблица 1
Химический состав биоудобрений после обработки в биогазовой установке
(влажность твердой части биоудобрений 75 %)
№ п/п Биоудобрение (масса после подкисления) Химический состав биоудобрений, кг/т
N NH4-N Р2О5 К2О MgO
1 Свиной навоз 5.9-6.5 1.4-2.0 5.3-5.8 6.1-6.3 1.5-1.8
2 Навоз крупнорогатого скота 4.3-5.0 1.0-1.2 2.7-2.9 7.5-7.8 1.3-1.5
3 Куриный помет 17-18 3.0-3.5 10.010.9 8.0-8.8 3.5-4.2
4 Трава 3.2-3.5 0.7-1.0 1.3-1.4 4.2-4.5 0.5-0.6
5 Кукурузный силос 3.7-4.0 1.2-1.3 1.3-1.4 4.2-4.5 0.8-1.0
6 Остатки сахарной свеклы 5.0-6.2 - 3.3-3.5 4.2-4.5 1.2-1.6
Таблица 2
Химический состав биоудобрений после обработки в биогазовой установке
(влажность жидкой части биоудобрений 95 %)
№ п/п Биоудобрение (масса после подкисления) Химический состав биоудобрений, кг/т
N NH4-N Р2О5 К2О MgO
1 Свиной навоз 3.1-3.8 1.4-2.0 2.3-2.4 2.1-2.4 0.5-0.8
2 Навоз крупного рогатого скота 1.8-2.2 1.0-1.2 0.8-1.6 2.2-2.8 0.4-0.5
3 Куриный помет 7.1-8.2 3.0-3.5 6.8-7.9 5.0-5.6 1.5-2.2
4 Трава 2.2-2.8 0.9-1.5 1.9-2.3 2.0-2.5 0.5-0.7
Минеральные удобрения, в отличие от биоудобрений:
• Усваиваются растениями только 30-35 % внесенных в почву минеральных удобрений, остальная их часть в виде нитратов накапливается в почве и продукции.
• Нитраты, попадающие с пищей в организм, способствуют росту опухолей пищеварительного тракта. Длительное употребление небольших количеств нитратов приводит к увеличению щитовидной железы. Нитраты вызывают снижение содержания белка в крови человека и животных, и повышение содержания холестерина в ней.
Биоудобрения, в отличие от минеральных, перерабатываются растениями практически полностью, благодаря этому концентрация азота в получаемых продуктах на много ниже, чем в таковых выращенных с использованием минеральных удобрений [3].
Результаты и обсуждение
На экспериментальной площадке научно-производственного центра «Возобновляемые источники энергии» Государственного энергетического института Туркменистана проведены эксперименты по производству биогаза анаэробным способом в специально подготовленной малой биогазовой установке (рис. 1).
Рис. 1. Установка для получения биогаза.
1 - биогазовая установка; 2 - воронка для заливания отходов; 3 - выходная труба для биогаза; 4 - биомасса; 5 - выходная труба для биоудобрения; 6 - ручка мешалки; 7 - пространство для накопления биогаза; 8 - лопатки для перемешивания содержимого установки
Биогазовая установка в полной сборке показана на рис. 2. Это установка для получения биогаза и биоудобрения путем окисления без доступа воздуха биологических отходов сельскохозяйственной и пищевой промышленностей. Биогаз -это продукт, полученный путем жизнедеятельности полезных метанобразующих бактерий.
Измельченные биоотходы через специальную воронку закладываются в биогазовое устройство. В агрегате установлены специальные лопаточки, с помощью которых раствор перемешивают несколько раз в день. В установке имеются два выходных отверстия, одно из них предназначено для выхода биогаза, другое -для выхода биоудобрений (рис. 1).
Таблица 3
Состав (в %) полученного биогаза
Метан Водород Азот Аргон
86.4 10.3 3.0 0.1
Для получения биогаза были использованы разные отходы животноводства и растениеводства. В итоге выяснено, что самым эффективным является использование смесей разных отходов, например, комбинация навоза крупного рогатого скота и куриного помета (табл. 3).
Принятие биогазовой технологии очень значимо для охраны окружающей среды. В результате переработки в безвоздушной сфере пищевых и животноводческих отходов предотвращается выделение в атмосферу больших объемов парниковых газов. В итоге переработки отходов получается полноценное удобрение, которое ускоряет рост растений и восстанавливает плодородие почвы.
В качестве сырья при производстве биогаза и биоудобрений используются отходы сельскохозяйственного производства, такие как навоз животных, птиц, солома, остатки деревьев, сорные травы, органические бытовые отходы и т. п.
Рис. 2. Принципиальная схема биогазовой установки с когенерационной установкой и аккумуляторной системой в животноводческих комплексах.
1 - органические отходы; 2 - насос; 3 - воронка для заливания смеси; 4 - биотопливо;
5 - смесительный слон; 6 - биогаз; 7 - коллектор газа низкого давления; 8 - фильтр;
9 - компрессор; 10 - коллектор газа высокого давления; 11 - потребители;
12 - биоудобрение; 13 - когенерационная установка; 14 - теплоноситель для нагрева биомассы; 15 - аккумуляторная система; 16 - метантенк; 17 - нагреватель
В биогазовой установке соединения азота, фосфора и калия, содержащиеся в перерабатываемых отходах, трансформируются в соединения, пригодные для использования растениями. Кроме того, в ходе указанного процесса уничтожаются болезнетворные бактерии и семена сорняков, находящиеся в навозе [4].
На предприятии на специальном дробильно-смесительном оборудовании органические отходы преобразуются в однородную смесь. В ходе ее подготовки
происходит биохимический процесс подкисления массы, основанный на активности метанобразующих бактерий. Температура воздуха на протяжении описываемого процесса должна поддерживаться в районе 350C. В результате образуется горючий биогаз (CH4 - 55-70 %; CO2 - 28-43 %), поступающий в газосборник низкого давления. Далее газ пропускается через фильтр газоочистителя и накапливается в газосборнике высокого давления. Из последнего газ как топливо поставляется потребителям. Часть биогаза используется для производства электроэнергии и получения горячей воды.
Использование биогазовой технологии может обеспечить предприятие электрической и тепловой энергией. Полученные от выработки биогаза дополнительные доходы можно использовать для развития производства. Попутно снижается выброс парниковых газов и неприятных запахов в атмосферу, загрязнение окружающей среды отходами сельскохозяйственного производства.
Выводы
1. Получение биогаза из отходов животноводства и растениеводства имеет очень большое экологическое значение, так как позволяет снизить загрязнение окружающей среды и выбросы парниковых газов.
2. Существующую проблему утилизации навоза и других отходов животноводства и растениеводства могут помочь решить биогазовые установки. При этом животноводческие фермы могут быть обеспечены собственной дешевой электрической и тепловой энергией.
3. Органическая масса, полученная после переработки сельскохозяйственных отходов, служит высококачественным экологически безвредным удобрением для растениеводческой отрасли. При использовании биоудобрения улучшаются физические и физико-механические свойства почвы, повышается ее биологическая активность, значительно возрастает урожайность сельскохозяйственных культур.
Список литературы
1. Северилов П. В. Биогаз для чайников. URL: https://bookscafe.net/book/severilov _pavel-biogaz_dlya_chaynikov-224727.html (дата обращения: 10.05.2021).
2. Чернин С. Я., Парубец Ю. С. Российский опыт внедрения биогазовых технологий для производства электрической и тепловой энергии (Пилотный проект НП «Энергоэффективный город» № 7.3-1/40, www.energosovet.ru) // Новости теплоснабжения. 2011. № 08 (132). URL: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3922) (дата обращения: 10.05.2021).
3. Эфендиев А. М., Николаев Ю. Е., Евстафьев Д. П. Возможности энергообеспечения фермерских хозяйств на базе малых возобновляемых источников энергии // Теплоэнергетика. 2016. № 2. С. 38-45. URL: https://portal.tpu.ru/SHARED/k/ KAZAKOV/ UR/Tab2/Проект%20(Пример).pdf) (дата обращения: 10.05.2021).
4. Чернова Н. И., Коробкова Т. П., Киселева С. В. Использование биомассы для производства жидкого топлива: современное состояние и инновации // Теплоэнергетика. 2010. №11. С. 28-35.
5. Мамадалиева З., Каюмов Т., Султонов М., Савриев Ф. Сравнительный анализ применения биогазовых технологий и других источников энергии // НП «Энергоэффективный город» представляет портал «Энергосовет» - всё об энергосбережении в Интернете. URL: http://www.energosovet.ru/stat913.html) (дата обращения: 11.05.2021).
References
1. Severilov P. V. Biogaz dlya chajnikov [Biogas for dummies]. Available at: https://bookscafe.net/book/severilov_pavel-biogaz_dlya_chaynikov-224727.html (Accessed 10.05.2021). (In Russian).
2. CHernin S. YA., Parubec YU. S. Russian experience in the implementation of biogas technologies for the production of electric and thermal energy (Pilot project of NP " Energy Efficient City» № 7.3-1/40, www.energosovet.ru). Novosti teplosnabzheniya [Heat supply news]. 2011. № 08 (132). Available at: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php7id =3922) (Accessed 10.05.2021) (In Russian).
3. Efendiev A. M., Nikolaev YU. E., Evstafev D. P. Opportunities for energy supply of farms based on small renewable energy sources. Teploenergetika [Thermal Engineering]. 2016. № 2. P. 38-45. Available at: https://portal.tpu.ru/SHARED/k/KAZAKOV/UR/Tab2/Proekt %20(Primer).pdf) (Accessed 10.05.2021). (In Russian).
4. CHernova N. I., Korobkova T. P., Kiseleva S. V. Use of biomass for liquid fuel production: state-of-the-art and innovation. Teploenergetika [Thermal Engineering]. 2010. №11. P. 28-35. (In Russian).
5. Mamadalieva Z., Kayumov T., Sultonov M., Savriev F. Comparative analysis of the use of biogas technologies and other energy sources. NP "Energoeffektivnyj gorod" pred-stavlyaet portal "Energosovet" - vsyo ob energosberezhenii v internete [NP "Energy Efficient City" presents the portal "Energosovet" - all about energy saving on the Internet]. Available at: http://www.energosovet.ru/stat913.html) (Accessed 11.05.2021) (In Russian).
