CC BY
1В.П. Друзьянова, канд. техн. наук, доц.
Якутский государственный университет А.К. Аммосова, ассистент кафедры механизации Якутская государственная сельскохозяйственная академия
УДК 621.43:662.767.2
ПРИМЕНЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ ЯКУТИИ
Приведены примерные расчеты по перспективному использованию биогазовой технологии утилизации навоза крупного рогатого скота с преобразованием получаемого биогаза в электрическую энергию в условиях Республики Саха (Якутия).
Ключевые слова: биогаз, биогазовая технология, электрическая энергия, эквивалентное топливо.
V.P. Druzyanova, Cand. Sc. (Engineering), Assoc. Prof.
A.K. Ammosova
APPLICATION OF BIOTECHNOLOGY IN YAKUTIA AGRICULTURE
The article shows the approximate calculations based on the prospective use of biogas technology recycling cattle manure with transformation of the resulting biogas to electrical energy in the Republic of Sakha (Yakutia).
Key words: biogas, biogas technology, electrical energy, equivalent fuel.
В недрах нашей земли находятся бесчисленные запасы нефти, природного газа и многих других ресурсов. Так утверждалось всего полвека назад. С начала XXI века аналитики и экологи забили тревогу в связи с глобальными загрязнениями окружающей среды и с тем, что запасы нашей природы иссякают. Одним из вариантов решения этой проблемы являются биотехнические технологии.
Процессы разложения органических отходов с получением биогаза и его использования в быту из -вестны давно. Использование примитивных установок было зафиксировано в XVII веке до нашей эры в Китае, Индии, Ассирии и Персии. Однако систематические исследования начались только в XVIII веке нашей эры. В 1764 году Бенджамин Франклин сделал эксперимент, в ходе которого он смог поджечь поверхность мелкого заболоченного озера в Нью Джерси, США [3]. Александр Вольта в 1776 году установил наличие метана в болотном газе, чуть позже Дальтом в 1804 году открыл формулу метана. И далее европейские ученые сделали первые шаги по исследованию и практическому применению биогазовых технологий.
Русские ученые также внесли свой вклад в изучение образования биогаза. Попов в 1875 году получил влияние температуры на количество выделяемого газа. Он выяснил, что речные отложения начинают выделять газ при температуре 6оС. С увеличением температуры до 50оС количество выделяемого газа значительно увеличивалось, не меняясь по составу. Также известно, что В.Л. Омельянский исследовал природу анаэробного брожения и участвующие в нем бактерии.
Сейчас многие страны занимаются изучением и внедрением биогазовых установок. В США работают более десяти крупных биогазовых заводов. В фермерских хозяйствах Европы используют установ -ки производительностью до 100-200 м3 биогаза. Большое количество биогаза производится также в Германии, Японии, Швеции. В Китае эксплуатируется более 5 млн. биогазовых реакторов, ежегодно производится 1,3 млн. м3 биогаза. А в Индии действует 5-6 тыс. установок, дающих от 2-400 м3 биогаза в сутки.
Биогаз изучали такие ученые как: А.А. Ковалев, В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер, С.В. Калюжный, П.И. Гриднев, В.Г. Некрасов, А.Г. Пузанков [1,4]. Но в их работах оптимальные размеры биореакторов не указаны. Авторы указывают, что в странах с холодным климатом возможен подогрев реакторов, но подогрев должен производиться снаружи, чтоб не повредить бактерии. Формы установок могут быть различными, что дает новаторам большой простор для изобретений.
Сегодня в России насчитываются сотни установок. В нашей республике также ведутся исследова -тельские разработки по внедрению биогазовых установок в производство. Имеются два основных направления: переработка навоза КРС и птичьего помета. В связи с этим мы рассмотрели возможные варианты развития биотехнологии в нашей республике.
В Республике Саха (Якутия) основная масса сельскохозяйственных животных содержится в частном секторе и малых животноводческих хозяйствах. Подавляющее большинство коровников не отвеча -
ют требованиям санитарии и гигиены, имеют весьма низкий уровень искусственного и естественного освещения, отсутствует система отопления. Все это исходит от стремления населения сэкономить на электроэнергии и топливе. Использование биогазовой технологии по утилизации навоза с получением биогаза способствовало бы решению этих проблем, появилась бы возможность автономного обеспечения животноводческих хозяйств электроэнергией и теплом. На наш взгляд, для этого в республике имеются оптимальные условия - это необходимое поголовье крупного рогатого скота.
По данным Госкомстата РС (Я) на 1 января 2009 года, в республике имелось 248802 головы крупного рогатого скота. Произведем примерный расчет по выходу биогаза для данного поголовья КРС.
1. В сутки одна корова дает 40 кг навоза, а от 1 кг навоза, по данным многочисленных исследований, получают 0,25 м3 биогаза.
2. В сутки от навоза поголовья КРС РС (Я) можно получить 2488020 м3 биогаза, что эквивалентно по энергетическим показателям 1492812 л жидкого топлива, 3234426 кВт электроэнергии, 2488020 кг угля и 4 229 634 кг дров.
3. В пяти заречных улусах РС (Я): Усть-Алданском, Чурапчинском, Таттинском, Амгинском, Том-понском имеется 84107 голов КРС, от навоза которых можно получить 25232100 м3 биогаза, что по энергетическим показателям эквивалентно: 15139200 л жидкого топлива, 32801730 кВт электроэнергии, 25232100 кг угля и 42894570 кг дров.
Одна среднестатистическая семья, проживающая в сельской местности нашего региона, в сутки сжигает около 40 кг дров. В месяц сжигаемая масса дров составит 1200 кг, а за 8 месяцев отопительного сезона - 9600 кг. Таким образом, только суточным выходом биогаза от поголовья КРС республики может отапливаться 440 семей в течение 1 зимы.
Проведем сравнение с природным газом Вилюйского месторождения. По теплотворной способности биогаз в 1,6 раза ниже вилюйского газа. Таким образом, 2 488 020 м3 биогаза будет эквивалентно 1 555 012,5 м3 газа с Вилюйского месторождения. Если в сутки 1 семья потребляет 4 м3 газа, то данный объем может обеспечить потребности 388 753 семей.
В настоящее время в связи с постоянным ростом цен на бензин и дизельное топливо наиболее привлекательным вариантом является применение биогаза в качестве моторного топлива. Причем биогаз, состоящий преимущественно из метана, может применяться как в бензиновых, так и дизельных двигателях. Так как метан имеет высокое октановое число, его применение целесообразней в двигателях с высокой степенью сжатия.
Определенные трудности может представлять сушка, очистка и закачка биогаза в баллоны. Но в настоящее время при имеющемся высоком развитии различных технологий эти трудности вполне преодолимы. Очистка газа от сероводорода может быть осуществлена при помощи простого приспо -собления, представляющего собой металлическую «губку», состоящую из окиси железа и деревянной стружки. Также можно использовать окись цинка. Влагу можно удалить, пропуская газ через охлаждаемую трубу, где она будет конденсироваться. Очищенный и осушенный газ можно закачивать в специальные толстостенные баллоны при помощи компрессора. Сжатие происходит при давлении до 20 атмосфер.
По состоянию на конец 2009 года в Республике Саха (Якутия) насчитывалось около 250 тысяч голов крупного рогатого скота. В день это количество животных дает более 3,5 тыс. тонн навоза, соответственно в год получается около 1,5 млн. тонн экскрементов, которые, попадая в окружающую среду, отравляют почву, воду и воздух. Из этого количества навоза можно получить 75 тыс. м3 газа, что эквивалентно такому же количеству традиционного автомобильного топлива. Несмотря на то, что расход газа двигателями несколько больше, чем бензина, благодаря низкой стоимости газа расходы на топливо сравнительно небольшие.
Рассчитаем окупаемость технологического оборудования при использовании биогаза в качестве топлива на примере автомобиля УАЗ. Стоимость оборудования около 200 тысяч рублей (биогазовая установка, компрессор, ресивер, абсорбер). Стоимость одного литра бензина Аи-92 в среднем 29 рублей. При среднесуточном пробеге 100 км расход бензина составляет до 20 литров (580 рублей), что соответствует расходу 42 м3 биогаза. Таким образом, стоимость биогазового оборудования окупится менее чем за один год.
На кафедре механизации инженерного факультета Якутской ГСХА нами сооружена и запущена в работу биогазовая установка объемом 0,7 м3, работающая при температуре 36 0С. На такой объем вышли исходя из следующих предпосылок:
1. Многие исследователи пишут, что рабочий объем до 1 м3 позволяет исключить установку до -полнительного устройства в виде мешалки. Образующиеся пузырьки газа создают спонтанное переме-
шивание, которого вполне достаточно для разрушения корки, образующейся на поверхности сбраживаемого жидкого навоза (помета).
2. При таком объеме процесс сбраживания навоза идет интенсивнее, конструкция биогазовой установки упрощается, стоимость удешевляется.
3. Температура 36 0С в рабочей полости биогазовой установки обеспечивает получение биогаза, содержащего наибольший объем метана, но при этом ухудшаются удобрительные свойства переработанного навоза.
20 января 2010 года была отобрана проба биогаза. В момент изъятия температура биогаза составляла +14 0С, давление 0,1 атм. Анализ проведен испытательной лабораторией сжиженного и природного газа ОАО «Ленагаз». Согласно протоколу анализа компонентный химический состав биогаза от нашей установки следующий: азот 17,4%, двуокись углерода 16,4%, метан 66,14%. Концентрации: азота 0,20 кг/м3; двуокиси углерода 0,30 кг/м3; метана 0,44 кг/м3. Физико-химические показатели газа при 20 0С и давлении 0,1 МПа, вычисленные на основании компонентного состава в соответствии с ГОСТ 22667-82: плотность по воздуху 0,78655, плотность газа 0,94779 кг/м3; теплота сгорания 22,098 МДж/м3 или 5278,31 ккал/м3.
В настоящее время исследования продолжаются. С 1 июня 2010 года в загружаемую дозу свежего навоза начали добавлять измельченное сено плохого качества в соотношении 50 на 50%, что должно повлиять на увеличение объема получаемого биогаза.
По результатом исследований Института энергетической стратегии РФ, общее количество органических отходов АПК России в 2005 году составило 225 млн. т. (в расчете на сухое вещество по энергосодержанию эквивалентно 80,6 млн. т. н.э.) включая:
- животноводство - 58,3 млн. т.;
- птицеводство - 5,8 млн.т.;
- перерабатывающая промышленность - 14 млн. т.;
- растениеводство - 147 млн. т [2].
Как свидетельствуют приведенные данные, наименьшую массу среди органических отходов занимает птицеводство, но при этом является источником зловонного запаха и наносит больше урона окружающей среде, чем отходы других отраслей. Их переработка в биогаз требует разработки универсальной биогазовой технологии и соответствующего оборудования.
Известно, что из птичьего помета получается больше биогаза, чем от выделений других животных. Микробная масса интенсивнее увеличивается в объеме за счет ассимиляции из помета углеводов, соединения азота и фосфора. Поэтому птичий помет является наилучшим сырьем для переработки в биогазовых установках.
Птичий помет в чистом виде нельзя использовать как удобрение. Должно пройти определенное время - от 6 до 9 месяцев - и только тогда помет не навредит растениям и урожаю. Но чем дольше лежит помет, тем больше теряет питательных веществ. Ежегодно птицефабрики выдают от 100 до 1000 тонн помета, который никак не утилизируется. Поэтому образуются целые озера этого «добра», отравляющие почву, воду, воздух. Но если помет высушить, его свойства изменяются в лучшую сторону. Однако при высокотемпературной сушке помет сильно насыщается канцерогенами, да и существенно увеличиваются энергозатраты.
При анаэробном сбраживании помета в биогазовых установках можно получить высококачест -венное удобрение, биогаз и кормовую добавку. Поэтому далее рассмотрим перспективы использования биогазовой технологии по переработке и утилизации помета в ОАО "Якутская птицефабрика».
В целях обоснования предлагаемой технологии утилизации мы соорудили лабораторную установ -ку с рабочим объемом 19 л для сбраживания птичьего помета и получили неплохие показатели. На 1 мая 2010 года - за 34 дня от начала запуска лабораторной установки - загружено 6,381 кг помета и получено около 1 м3 биогаза. Технологический процесс следующий: помет разбавляем до влажности 96%, загружаем в биогазовую установку. Вследствие процесса анаэробного разложения субстратов выделяется газ, состоящий из 70-75% метана и 30-25% углекислого газа.
По данным многочисленных исследований, из 1 т птичьего помета можно получить 80-140 м3 газа. Относительно наших результатов: из 1 т соответственно выход биогаза в среднем составляет 156 м3. Следовательно, ход наших исследований пока идет должным образом.
Произведем расчеты по примерному выходу биогаза от поголовья птиц Якутской птицефабрики:
1. В сутки из 30 т помета выход биогаза составит:
156 х 30т = 4701,5м3
2. В месяц можно получить следующий объем биогаза:
4701,5 х 30 = 141045 м3
3. Эквивалентные энергетические показатели при преобразовании биогаза:
Энергия 1м3 СН4 эквивалентна 0,6 л жидкого топлива, или 1 кг угля, или 1,7 кг дров, или 1,3 кВт-ч электроэнергии.
4. Месячный объем биогаза 141045 м3 по энергетическим показателям будет соответствовать следующим объемам эквивалентного топлива и энергии:
Жидкое топливо: 141045 х 0,6 = 84627 л Электроэнергия: 141045 х 1,3 = 183358,5 кВт-ч Уголь: 141045 х 1 = 141045 кг
Дрова: 141045 х 1,7= 239776,5 кг
5. Рассчитаем стоимость эквивалентного топлива и энергии:
Жидкое топливо: 84627 л х 20 руб. = 1692540 руб. Электроэнергия: 183358,5 кВт х 2 руб = 366717 руб. Уголь: 141045 кг х 1200 руб = 169254000 руб.
Дрова: 239776,5 кг х 2000руб - 479553000 руб.
По замещаемым топливам переработка биогаза в электроэнергию наиболее выгодна, что показывают расчеты. Поэтому в ОАО «Якутская птицефабрика» будет целесообразней преобразовывать биогаз в электроэнергию.
В среднем в месяц ОАО «Якутская птицефабрика» потребляет 527000 кВт электроэнергии, что в денежном эквиваленте соответствует 1054000 руб. Используя биогазовую технологию, данная компания сможет сэкономить до 366717 рублей в месяц.
Из проведенных расчетов видны существенные экономические, энергетические и социальные эффекты от применения биогазовой технологии утилизации навоза.
Внедрение предлагаемой биотехнологии позволит:
1. Сделать значительный шаг к оздоровлению окружающей среды.
2. Восстановить плодородие пахотных земель и сельхозугодий.
3. Повысить урожайность сельскохозяйственных культур.
4. Применить кормовые добавки в виде высушенного эффлюента, что положительно воздействует на воспроизводимость стада сельскохозяйственных животных.
5. Улучшить социально-бытовые условия сельских жителей (путем сжигания биогаза вместо дров и угля при отапливании помещений и приготовлении пищи).
Библиография
1. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз. Теория и практика: Пер. с нем. и предисловие М.И. Серебряного. - М.: Колос, 1982. - 148 с., ил.
2. Марченко Д.Б. Обоснование технологических и конструктивных параметров оборудования для получения органического удобрения и биогаза из птичьего помета: Диссертация. - Новосибирск, 2009.
3. Свалова М.В. Обоснование и разработка технологического процесса утилизации отходов птицеводства с использованием биогазовых установок/ СПб. гос. ун-т. - Ижевск, 2009.
4. Сайт Alfar.ru
5. Сайт bio-energetics.ru
Bibliography
1. Baader W., Done E., Brennderfer M. Biogas. Theory and practice. (Transl. from German and the preface by M. Serebryaniy.) - Moscow: Kolos, 1982. - 148p., Il.
2. Marchenko D.B. Justification of technological and design parameters of the equipment to produce organic fertilizer and biogas production from poultry manure: Thesis. - Novosibirsk, 2009.
3. Svalova M. V. Rationale and design process of poultry waste using biogas plants/ St.Petersburg State University. -Izhevsk, 2009.
4. www.alfar.ru
5. www.bio-energetics.ru
В.Н. Лузан, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Технология продуктов общественного питания»
