CC BY
22Научная статья / Original article
УДК 662.767.2:66.098.4
https://doi.org/10.34130/2306-6229-2022-4-18
Экологические аспекты переработки отходов в биогазовой технологии
Оразбердиева Мяхрибан Реджепмырадовна1, Аннаев Максатберди2, Батыров Сердар Реджепдурдыевич3
Государственный энергетический институт Туркменистана, Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхана, 62, [email protected]
Аннотация. Сегодня использование возобновляемых источников энергии во всем мире растёт большими темпами. Развитие биогазовых технологий позволит обеспечить энергетическую безопасность региона и решить ряд экологических, экономических и энергетических проблем, особенно проблему переработки отходов сельского хозяйства, в первую очередь отходов животноводческих ферм.
При переработке отходов для получения биогаза и биоотходов исходный продукт нейтрализуется, то есть анаэробное брожение обеспечивает потерю семян сорняков, уничтожаются патогенные виды микроорганизмов, а также повышается ценность перерабатываемых отходов как удобрения, обеспечивается получение биогаза.
Ключевые слова: биогаз, экология, органические отходы, сельское хозяйство
Для цитирования: Оразбердиева М. Р., Аннаев М., Батыров С. Р. Экологические аспекты переработки отходов в биогазовой технологии // Вестник Сыктывкарского университета. Серия 2. Биология, геология, химия, экология. 2022. № 4 (24). С. 18-24. https://doi.org/10.34130/2306-6229-2022-4-18
Environmental aspects of waste processing in biogas technology
Mahriban R. Orazberdiyeva1, Maksatberdi Annayev2, Serdar R. Batyrov3
123 State Energy institute of Turkmenistan, Mary, Turkmenistan, 745400, Bajramhana street, 62. [email protected]
Abstract. Today, the use of renewable energy sources around the world is growing rapidly. The development of biogas technologies will ensure the energy security of the region and solve a number of environmental, economic and energy problems, especially the processing of agricultural waste, primarily waste from livestock farms.
When processing waste to produce biogas and biowaste, the initial product is neutralized, that is, anaerobic fermentation ensures the loss of weed seeds, pathogenic microorganism species are destroyed, as well as an increase in the fertilizer value of the processed waste, and biogas is also obtained.
Keywords: biogas, ecology, organic waste, agriculture
For citation: Orazberdiyeva M. R., Annayev M., Batyrov S. R. Environmental aspects of waste processing in biogas technology. Vestnik Syktyvkarskogo universiteta. Seriya 2. Biologiya, geologiya, himiya, ekologiya = Syktyvkar University Bulletin. Series 2. Biology, geology, chemistry, ecology, 2022. 4(24): 18-24 (In Russ.). https://doi.org/10.34130/2306-6229-2022-4-18
Введение. На сегодняшний день использование возобновляемых источников энергии на Земле растет все больше и больше. Одним из важных направлений является биогазовая технология. По оценкам к 2040 г. дополнительная энергия будет составлять 23.5 % от общего потребления энергии. Развитие биогазовой технологии позволит
18
обеспечить энергетическую безопасность региона и решить ряд экологических, экономических и энергетических проблем, особенно проблему переработки отходов сельского хозяйства, в первую очередь отходов животноводства [1].
Производство биогаза повышает энергетическую безопасность страны, решая три проблемы. Во-первых, снижение расхода топлива на единицу получаемой энергии. Во-вторых, обеспечение резервного питания и повышение надежности электроснабжения. В-третьих, снижение выбросов парниковых газов (метана, углекислого газа) в атмосферу, что предотвращает глобальное потепление, снижает загрязнение сточных вод, эпидемиологические риски от размещения отходов [2].
Материалы и методы. Производство биогаза помогает предотвратить выброс метана в атмосферу. Метан способствует возникновению парникового эффекта в 21 раз больше, чем углекислый газ, и остается в атмосфере до 12 лет. Улавливание метана является самым краткосрочным решением проблемы глобального потепления. Поскольку биометан не содержит тяжёлых углеводородов (например, этан, пропан), его удельная энергоемкость ниже, чем у обычного природного газа. Метановые бактерии проявляют значительную активность в диапазоне температур 0-70°С. Если температура выше, они начинают погибать, за исключением нескольких штаммов, способных выжить при температуре окружающей среды до 90°С. Они выживают при отрицательных температурах, но прекращают свою жизнедеятельность (нижняя граница температуры 3-4°С).
Органические биоотходы переработки на биогазовых установках являются источником комплексных органических удобрений, экологически безопасных и лишенных нитритов, сорняков, патогенной микрофлоры и специфических запахов. Расход таких биоотходов составляет 3-5 тонн на гектар. При этом урожайность почв повышается в 2-4 раза.
По физико-химическим свойствам биогаз близок к природному газу, так как его основным компонентом является метан. Основными источниками образования биометана являются продукты распада органического вещества растительного и животного происхождения. В биогазовой технологии используется процесс разложения органических веществ в результате жизнедеятельности микроорганизмов, то есть процесс ферментации.
Основными продуктами этого процесса являются горючие газы (главным образом метан, водород, углекислый газ) и биоудобрения. Биогаз очищается от СО2 и влаги для получения биометана. Основными преимуществами биогаза являются доступность сырья из местных источников, сокращение выбросов парниковых газов и предотвращение накопления органических отходов и нанесения ущерба окружающей среде, а также обеспечение экологически замкнутой энергетической системы.
Анаэробный процесс протекает в объеме, называемом метантенком или реактором, в отсутствие кислорода, при температуре 35-45°С. На эффективность биогазовой установки большое влияние оказывает предварительная подготовка субстрата. Чем меньше размер органических компонентов исходного сырья, тем эффективнее протекает процесс ферментации. Если размер компонентов субстрата уменьшить до 1 мм, то выход биогаза увеличится до 20 %. Скорость образования метана также зависит от однородности субстрата.
В этих условиях под действием бактерий, присутствующих в биомассе, навоз крупного рогатого скота и птичий помет разлагаются с выделением метана (СН4) - 60-70 %, углекислого газа (СО2) - 30-40 % и небольшого количества сероводорода (H2S) - 0.3 %, водорода, аммиака и оксида азота.
Теплота сгорания 1 м3 биогаза составляет 22 МДж (6.1 кВт в топливе), что эквивалентно сжиганию 0.6 л бензина, 0.85 л спирта, 1.75 кг дров или 2 кВт-ч. электроэнергии [3; 4].
Анаэробное расщепление отходов
Текущее положение
Рис 1. Расщепление углерода из навоза при производстве биогаза и традиционный метод переработки навоза
Экологическая основа анаэробной ферментации. Биогаз представляет собой смесь газов, образующихся в процессе вакуумной (анаэробной) ферментации органических веществ. Он состоит в основном из метана, углекислого газа и небольшого количества сероводорода, кислорода, аммиака и водяного пара.
В основе биогазовой технологии лежат такие сложные процессы, как биологическое разложение органического вещества в анаэробных условиях. Затем под влиянием особой группы анаэробных микроорганизмов происходит процесс минерализации азотфиксирующих, фосфорфиксирующих и калийфиксирующих органических соединений, то есть эти элементы становятся более доступными для растений.
Экологическое значение производства биогаза. Экологическое значение производства и использования биогаза огромно. Они включают следующее:
• сокращение использования ископаемых видов топлива и продление периода истощения этих природных ресурсов;
• получение неиссякаемого источника энергии за счет возобновляемой биомассы, которая служит сырьем для производства биогаза;
• уменьшение накопления парниковых газов в атмосфере.
Метаногенез как процесс биосинтеза метана играет важную роль в круговороте
углерода в природе. Нацеливание конкретно на антропогенные органические отходы и использование полученного биогаза может ускорить разложение отходов и уменьшить их объем и количество, а также облегчить нагрузку на окружающую среду за счет сокращения выбросов метана, более сильного парникового газа, чем углекислый газ.
Используя навоз крупного рогатого скота в качестве органического материала при производстве биогаза, мы останавливаем выделение метана и оксидов азота, которые обязательно присутствуют на открытых полях. Кроме того, использование навоза крупного рогатого скота для производства биогазапревращает большое количество углерода, во-первых, в метан, и, во-вторых, ископаемое топливо, которое сократит выбросы углекислого газа за счет замены ископаемого топлива биогазом. Замена бензина и дизельного топлива в транспортных средствах возобновляемым биогазом снижает выбросы СО2 транспортными средствами на 180 % [5], а выбросы других загрязняющих веществ в густонаселенных районах даже выше, чем использование биогаза для производства электроэнергии.
К экологическим преимуществам использования биогазовой технологии относятся:
• сокращение количества и объема отходов и соответственно предотвращение загрязнения окружающей среды;
• также снижается загрязнение местных атмосферных условий за счет менее вредных выбросов по сравнению с ископаемым топливом;
• уменьшение количества органических веществ в отходах и сточных водах;
• сокращение земель, отведенных под складирование и захоронение отходов, и более эффективное использование сельскохозяйственных угодий в сельской местности;
• реабилитация деградированных территорий и повышение плодородия почв за счет использования анаэробно разлагающихся биоотходов;
• улучшение эпидемиологической ситуации за счет гибели присутствующей в отходах патогенной микрофлоры, уменьшения неприятных запахов и т. д. Для решения такого ряда проблем, как санитарно-гигиенические, например, один из самых крупных видов органических отходов относится к категории летучих органических загрязните-
лей и, по данным Всемирной организации здравоохранения, вызывает заражение более 100 видов различных возбудителей болезней животных и человека [6; 7].
Кроме того, удобрение является источником большого количества экологически вредных веществ: аммиак, сероводород, меркаптан, фенол, соли тяжелых металлов и др. [8] и в 10 раз опаснее с точки зрения химического загрязнения окружающей среды, чем твердые бытовые отходы [6].
Животноводческие комплексы производят настолько большое количество удобрения, что зачастую она не используется как удобрение, а собирается в границах ферм
[9].
При переработке отходов на биогаз и биоотходы происходит нейтрализация продуктов, то есть анаэробное сбраживание обеспечивает потерю семян сорняков, уничтожение патогенных микроорганизмов, а также повышение ценности перерабатываемых отходов как удобрения и выделение биогаза [10].
Обсуждение. Биогазовые технологии улучшат качество природной среды за счет сокращения количества отходов, загрязнения окружающей среды и дезинфекции, что улучшит здоровье человека. Кроме того, хозяйства, занимающиеся животноводством, могут получать биогаз из собственных отходов, а также получать экологически чистые биоотходы без семян всех сорняков и патогенной микрофлоры для сельскохозяйственных культур, выращиваемых на их землях.
При этом происходит уничтожение патогенной микрофлоры, сокращение вредных насекомых и мест их размножения, снижается риск развития желудочно-кишечных заболеваний и, соответственно, стоимость лекарственных средств для населения. Использование биогаза для приготовления пищи и отопления дома снижает риск глазных и респираторных заболеваний, вызванных дымом от сжигания обычного твердого топлива. Потребление экологически чистой высококачественной сельскохозяйственной продукции с применением экологически чистых (биологических, нехимических) удобрений будет способствовать оздоровлению всего населения. Энергия биогаза менее вредна для окружающей среды, чем традиционные источники энергии.
Результаты. Для широкого использования биогазовых технологий, а также для снижения общих затрат на его производство необходимы следующие меры - подготовка специалистов в области биоэнергетики, проведение информационно-разъяснительных и рекламных мероприятий между производителями и потребителями, создание проектов передовых технологий и оборудования из получаемых продуктов, в этой сфере необходимо поощрять научные исследования и инновации, укреплять рыночные механизмы получения и продвижения биогазовых продуктов, а также налаживать сотрудничество с зарубежными странами, активно внедряющими современные передовые технологии и имеющими большой опыт их использования. Успешное внедрение такого комплекса мероприятий в производство, то есть установление нормальных отношений между традиционной и альтернативной энергетикой на основе биомассы, создаст условия для значительного улучшения экологических, экономических и социальных условий в регионе.
Список источников
1. Энергоэффективность аграрного производства / под общ. ред. академиков В. Г. Гусакова и Л. С. Герасимовича. Минск: Беларуская навука, 2011. 775 с.
2. Liquefied Biomethane experiences. European Commission. DG Move. 7th Framework Programme. GC.SST.2012.2-3 GA No. 321592. July 2014
3. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития: Науч. аналит. обзор. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. 204 с.
4. Выход биогаза из навоза [Электронный ресурс]. URL: http://www.rosbiogas.ru/literatura/biogazovie-ustanovki-prakticheskoe-posobie/vixod-biogaza-iz-navoza.html (дата обращения: 07.09.2022).
5. Biogas Road Map for Europe. - AEBIOM, European Biomass Association. 2009. 24 p.
6. Проблемы деградации и восстановления продуктивности земель сельскохозяйственного назначения в России / под ред. академиков Россельхозакадемии А. В. Гордеева, Г. А. Романенко. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2008. 67 с.
7. Евдокимов А. Н., Татаринов В. М. Инновационная комплексная технология анаэробной переработки и использования отходов индустриального животноводства / / Журнал «ЭСКО» Энергосервисной компании "Экологические системы". 2009. № 6. 3 с. URL: https://revolution.allbest.ru/agriculture/00764671_0.html?ysclid=l8lkwvvxmn380720544/ (дата обращения: 28.09.2022).
8. Болоцкий И. А., Семенцов В. И., Пруцаков С. В., Васильев А. К., Крюков Н. И. Анализ методов обеззараживания животноводческих стоков и помета с ферм // Ветеринария Кубани. 2008. № 3. С. 22-24.
9. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2012 г. Казань: МПР, 2013. 504 с.
10. РД-АПК 1.10.15.02-08 Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета. М.: Минсельхоз РФ, 2008. 97 с.
References
1. Energoeffektivnost' agrarnogo proizvodstva [Energy efficiency of agricultural production] / Ed. ed. academicians V. G. Gusakova & L. S. Gerasimovicha. Minsk: Belaruskaya navuka, 2011. 775 p. (In Russ.).
2. Liquefied Biomethane experiences. European Commission. DG Move. 7th Framework Programme. GC.SST.2012.2-3 GA No. 321592. July 2014.
3. Bioenergetika: mirovoj opyt i prognoz razvitiya: Nauch. analit. Obzor [Bioenergy: world experience and development forecast: Scientific analytical review]. Moscow: FGNU «Rosinformagrotekh», 2007. 204 p. (In Russ.).
4. Vyhod biogaza iz navoza [Biogas output from manure] [Electronic resource] Available at: http://www.rosbiogas.ru/literatura/biogazovie-ustanovki-prakticheskoe-posobie/vixod-biogaza-iz-navoza.html (accessed: 07.09.2022) (In Russ.).
5. Biogas Road Map for Europe. - AEBIOM, European Biomass Association. 2009. 24 p.
6. Problemy degradacii i vosstanovleniya produktivnosti zemel' sel'skohozyajstvennogo naznacheniya v Rossii [Problems of degradation and restoration of the productivity of agricultural land in Russia / Edited by Academicians of the Russian Agricultural Academy A. V. Gordeeva, G. A. Romanenko. Moscow: FGBNU «Rosinformagrotekh», 2008. 67 p. (In Russ.).
7. Evdokimov A. N., Tatarinov V. M. [nnovative integrated technology for anaerobic processing and use of industrial animal waste. Magazine "ESCO" of the Energy Service Company "Ecological Systems". 2009. № 6. 3 p. Available at: https:// revolution.allbestru/agriculture/00764671_0.html?ysclid=l8l kwvvxmn380720544/ (accessed: 28.09.2022) (In Russ.).
8. Bolockij I. A., Semencov V. I., Prucakov S. V., Vasil'ev A. K., Kryukov N. I. Analysis of methods for decontamination of livestock effluents and manure from farms. Veterinariya Kubani [Veterinary medicine of Kuban]. 2008. № 3. Pp. 22-24. (In Russ.).
9. Gosudarstvennyj doklad o sostoyanii prirodnyh resursov i ob ohrane okruzhayushchej sredy Respubliki Ta-tarstan v 2012 g. [State report on the state of natural resources and environmental protection of the Republic of Tatarstan in 2012. Kazan': MPR, 2013. 504 p. (In Russ.).
10. RD-APK 1.10.15.02-08 Metodicheskie rekomendacii po tekhnologicheskomu proektirovaniyu sis-tem udaleniya i podgotovki k ispol'zovaniyu navoza i pometa [RD-APK 1.10.15.02-08 Guidelines for the
technological design of systems for the removal and preparation for use of manure and litter]. Moscow: Minsel'hoz RF, 2008. 97 p. (In Russ.).
Информация об авторах/ Information about the authors
Оразбердиева Мяхрибан Реджепмыра-довна
научный сотрудник НПЦ «Возобновляемые источники энергии» Государственного энергетического института Туркменистана
Государственный энергетический институт Туркменистана, Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхана, 62
Mahriban R. Orazberdiyeva
Researcher on Scientific - productional center on "Renewable energy sources" State Energy institute of Turkmenistan
State Energy institute of Turkmenistan, Mary, Turkmenistan, 745400, Bajramhana street, 62
Аннаев Максатберди
старший преподаватель Государственного энергетического института Туркменистана
Государственный энергетический институт Туркменистана, Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхана, 62
Annayev Maksatberdi
Senior lecturer of the State energy institute of Turkmenistan
State Energy institute of Turkmenistan, Mary, Turkmenistan, 745400, Bajramhana street, 62
Батыров Сердар Реджепдурдыевич
старший преподаватель Государственного энергетического института Туркменистана
Serdar R. Batyrov
Senior lecturer of the State energy institute of Turkmenistan
Государственный энергетический институт Туркменистана, Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхана, 62
State Energy institute of Turkmenistan, Mary, Turkmenistan, 745400, Bajramhana street, 62
Статья поступила в редакцию / The article was submitted Одобрена после рецензирования / Approved after reviewing Принята к публикации / Accepted for publication
21.09.2022 26.09.2022 27.09.2022
