CC BY
63100 Оборудование для животноводства
шшш. agroyug.ru
Винаров А.Ю.,
д.т.н., профессор, vinarov@hotmail.com
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Проблема полезной и экономически эффективной переработки отходов животноводческих комплексов является достаточно острой в связи с решением экологических задач и учитывая значительное количество таких отходов. В стране ежегодное накопление органических отходов в животноводстве и птицеводстве, основную массу из которых представляют продукты жизнедеятельности, т.е. навоз животных и помет птиц, составляет более 200 млн. т. что в несколько раз превышает количество загрязнения от сточных вод пищевой промышленности и хозяйственно-бытовых стоков и в этом случае животноводческие комплексы являются более опасными для окружающей среды, чем многие промышленные предприятия.
Широко применяется типовой метод использования навоза в качестве удобрения, получаемого при компостировании, при этом навозные отходы складывают в кучи, где они под действием природных микроорганизмов медленно разлагаются. Но качество удобрения ухудшается: пропадает до 40% содержащегося в нем азота и немало фосфора. Навозные отходы от свиноферм для компостирования просто не годятся - они слишком жидкие, и их применение в качестве удобрений вызывает много вопросов. Традиционный метод получения удобрения компостированием различных отходов растительного и животного происхождения, а также твердых бытовых отходов, все чаще заменяется более индустриальными методами, основанными на управляемых биотехнологических процессах в аппаратурном оформлении. Это в первую очередь относится к отходам свиноферм, когда без определённой ферментационной переработки свиной навоз не может быть внесен на поля в качестве удобрений.
Можно условно разделить биотехнологические процессы и аппараты для переработки навоза животных по признаку используемых микроорганизмов: анаэробные и аэробные. В работе /1/ был рассмотрен перспективный способ биотехнологической анаэробной переработки животноводческих отходов путем их метанового сбраживания с получением биогаза с дальнейшим его использованием в качестве углеродного субстрата для получения высокобелковой кормовой биодобавки. Био-газ, получается путем анаэробного сбраживания отходов - ферментативного процесса, идущего без доступа или с ограниченным доступом воздуха, имеет плотность 1,2 кг/м и следующий усредненный состав (в %): метан - 65, углекислый газ - 34, сопутствующие газы -до 1 (в том числе сероводород - до 0,1). Содержание метана может меняться в зависимости от состава навоза и технологии в пределах 55-70%. Метод очистки биогаза от серосодержащих примесей известен и эффективно применяется. Углекислый газ после его извлечения из биогаза путем отмывки - в абсорбционных аппаратах (в отличие от метана, он хорошо растворяется в воде) можно подавать в теплицы, где он служит «воздушным удобрением», увеличивая продуктивность растений.
Данный способ метанового сбраживания позволяет получать биогаз и переработанный (проферментирован-ный) навоз в качестве удобрения. Благодаря выделению метана и углекислого газа оптимизируется соотношение С/^ Доля аммиачного азота увеличивается. Реакция получаемого органического удобрения - щелочная (рН 7,2-7,8), что делает такое удобрение особенно ценным для кислых почв. По сравнению с удобрением, получаемым из навоза обычным способом, урожайность
увеличивается на 10-15%. При высоком качестве получаемой на метансодержащем газе биомассы, содержащей полный набор незаменимых аминокислот микробный белок из метансодержащего газа является конкурентно-способным различным видам белковых кормовых добавок. Применительно к навозным стокам свинофермы на 1000 свиней в работе /2/ проведен расчет для процесса получения протеиновой биодобавки на основе биогаза при метановом сбраживании навозных стоков. С учетом ежедневного объема навоза, производимого свиньями (примерно 7-9% их живого веса), около 4,5 тонн с влажностью 92-94%, или около 3 тонн в пересчете на сухое органическое вещество, при метановом сбраживании может быть получено порядка 1200 м3 биогаза в сутки. В процессе непрерывной ферментации в биореакторе за счет потребления метана метанутилизирую-щей культурой микроорганизмов синтезируется белковая биомасса с содержанием сырого протеина до 75% в количестве около 150 кг в сутки, или порядка 50 тонн в год. Белковый рацион свиней зависит от их возраста (поросята, свиноматки, хряки), но в среднем составляет по перевариваемому протеину до 400-600 г на одну свинью, или около 700 г сырого протеина, что для рассматриваемой свинофермы составит потребность порядка 700 кг сырого протеина. Согласно рекомендациям по применению микробного белка в корм для свиней (от 10 до 20% от общего количества протеина в корме), т.е. в данном примере - от 70 до 140 кг в сутки, что полностью обеспечивается количеством синтезируемой на биогазе белковой биомассой.
Наряду с биотехнологией получения биогаза и последующего биосинтеза кормового биопродукта другим эффективным направлением утилизации отходов животноводческих комплексов является получение ор-ганоминеральных удобрений с учетом значительного спроса на эту продукцию и сравнительно высоких рыночных цен. В патентной литературе описаны методы аэробной переработки жидких отходов (гидросмыва) с использованием активного ила, при этом, жидкофаз-ную ферментационную обработку навозосодержащих сточных вод проводят при нагрузке на активный ил от 70 до 225 мг ХПК/ч при низких скоростях порядка 0,01 ч-1 до снижения нагрузки по ХПК на 40-70% с рециркуляцией активного ила, разделением жидкой и твердой фаз с уплотнением и последующей сушкой твердой фазы. Однако, отсутствие устойчивых штаммов-микроорганизмов и рациональных технических решений по конструкции интенсивного ферментера с низкими энергозатратами для переработки жидких отходов с содержанием до 15% сухих веществ, аэробным способом сдерживало реализацию этого альтернативного метода. В лаборатории «Технологии промышленного биосинтеза» института ГосНииСинтезбелок, нами был разработан способ аэробной жидкофазной ферментации навозных стоков в условиях перемешивания ферментационной среды, содержащей навозный сток с концентрацией твердой фазы от 2,0 до 14 мас.% /3/. Процесс аэробной ферментации осуществляли в биореакторе, обеспечивающем скорость массопередачи кислорода воздуха в среднем 2,0 кгО2 /м3*ч. В качестве основного штамма применяли Endomycopsis fibuligera ВСБ-12 /4/.
Проведенные экспериментально лабораторные исследования по аэробной ферментационной переработке навозных стоков позволили установить рациональное
ЭФФЕКТИВНОЕ ЖИВОТНОВОДСТВО
№ 8 ноябрь 2021
генеральный партнер выпуска
г1гф вазовский
j lAjJ комбикормовый завод
101
время аэробной ферментации и определить кинетические параметры процесса. Динамику процесса контролировали по изменению содержания аминокислот, характеризующих накопление биомассы за счет потребления культурой органического субстрата. В отбираемых пробах определяли содержание аминокислот на AMINOACID ANALYZER T-339. Параллельно с анализом на аминокислоты, отбираемые через 10 часов пробы исследовали с точки зрения эффективности применения проферментированного навоза в качестве удобрения. Опыты проводили в вегетационной камере (лабораторный фитотрон) на салате используя смесь садовой земли и песка куда добавляли проферментированный различное время навоз из расчета 100 г/м2. Достоверное увеличение веса зеленой части растений характерно для проб после 60 и 70 часа ферментации.
Полученные положительные результаты лабораторных исследований по аэробной ферментационной обработке исходного навозного стока позволили перейти к задаче оптимального аппаратурного оформления данного процесса для его масштабирования к производственным условиям /5/.
После установления в ферментере-1 заданной температуры (30 оС) в аппарат вносится засевная культура микроорганизмов Endomycopsis fibuligera ВСБ-12 и включается вентилятор-5. Навозные стоки со средней влажностью 90-95% поступают в ферментер, заполняя 85% объёма аппарата, после внесения необходимого количества минерального питания включается циркуляционный насос-4 и калорифер-3. Через т . = 75 часов переработанные навозные стоки выводятся из аппарата на дальнейшую обработку по схеме для получения сухого биоорганического удобрения. Ферментер может работать и в непрерывном процессе с постоянной подачей и отбором расчетного количества среды на последующую обработку.
Критерием масштабного перехода с лабораторного аппарата на промышленный аппарат объемом 10 м3 был выбран коэффициент массопередачи. Был проведен инженерный расчет ферментера с рабочим объемом 10 м3. Технические характеристики аппарата даны в таблице.
Цель создания опытного образца аэробного ферментера состояла в его дальнейшем испытании и последующем практическом использовании в составе промышленной установки по переработки навозных стоков и производству биокомпоста на агрокомплексе «Медынь» Калужской области.
Таблица.
Технические характеристики разработанного ферментера.
Наименование показателя Величина
Геометрический объём аппарата, м3 15,0
Рабочий объём ферментера, м3 10,0
Циркуляционный поток, м3/час 540
Расход воздуха на аэрацию, м3/час 800
Время циркуляции жидкости, мин 1,0
Средняя скорость массопередачи О2, кг/м3 час 1,2
Расчетное время ферментации, час 75,0
Температура среды в ферментации, 0С 32-35
Концентрация сухого вещества в среде, % 5-15
Количество получаемого проферментированного навоза/помёта, т (м3) 10,0
Суммарная потребляемая мощность, квт/ч 4,0
Удельные энергозатраты на 1 т (1м3) проферментированных отходов, квт/ч ~30
подачу стоков в среднем 0,1 м3/ч. Из ферментера непрерывно производится отбор переработанных навозных стоков, которые поступают на стерилизацию через калорифер, где нагреваются до t = 90 0С (схема предусматривает рекуперацию тепла). Затем поток поступает на выдержку в сборник. После охлаждения навозных стоков в сборниках до t = 25-30 0С и перемешивания насосом, поступают на розлив или по схеме для получения концентрированного органо-минерального удобрения (влажность 50%).
Предварительный расчет предложенной схемы аэробной переработки навозного стока для получения ор-гано-минеральных удобрений, отвечающих установленным требованиям, позволяет оценить срок окупаемости установки при непрерывной эксплуатации ~1,5 года.
:ЛИТЕРАТУРА
При непрерывном режиме ферментации в разработанном ферментере жидкие навозные стоки из сборника насосом подаются в штуцер подачи стоков. Таймер, через который подключается насос, обеспечивает
1. Винаров А.Ю. Биоустановки получения кормового белка из метансодержащего газа. ж. Эффективное животноводство. Декабрь 2018. С. 54-56.
2. Винаров А.Ю. Протеиновые корма из биогаза навозных стоков . ж. Сельскохозяйственное обозрение. Сентябрь 2018. С. 9-12.
3. Патент РФ 2186475. Способ переработки навозных стоков и установка для его реализации / Винаров А.Ю., Смирнов В.Н., Соколов Д.П., Семенцов А.Ю., Ерина Т.Э. -опуб. 23 июля 2001 г.
4. Винаров А.Ю., Ерина Т.Э., Соколов Д.П., Смирнов В.Н. Биоутилизация навозных стоков методом аэробной ферментации: Тез. докл. 3-ий Московский международный Конгресс «Биотехнология»: состояние и перспективы развития». Март 2005 г. Москва.
5. Винаров А.Ю., Ерина Т.Э., Соколов Д.П., Смирнов В.Н. Аппаратурное оформление процессов переработки навоза: Тез. докл. 1-й международный конгресс «Биотехнология-состояние и перспективы развития». 2002. - С.105-106.
