CC BY
1М.К. Охлопкова, канд. техн. наук, доц.
В.П. Друзьянова, канд. техн. наук, доц.
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Амосова, г. Якутск
УДК 636.631.872
СОЗДАНИЕ БИОГАЗОВОЙ СТАНЦИИ НА БАЗЕ ЯКУТСКОЙ ПТИЦЕФАБРИКИ
В статье обоснована возможность создания биогазовой станции на базе Якутской птицефабрики. Применение биогаза является экологически безопасным, способствует снижению использования природных невозобновляемых ресурсов и развитию инноваций в данной сфере экономики.
Ключевые слова: биогаз, биоэнергия, куриный помет, органическое удобрение, птицефабрика.
M.K. Okhlopkova, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
V.P. Druzianova, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
DEVELOPMENT OF BIOGAS STATION ON THE BASIS OF YAKUT POULTRY FARM
The article presents the possibility of biogas station development on the basis of the Yakut poultry farm. Biogas is environmentally safe and it reduces using of non-renewable natural resources, fosters innovation in the given sphere of economy.
Key words: biogas, bioenergy, chicken manure, organic fertilizer, waste, poultry farm.
В условиях реализации Федерального закона Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» наиболее актуальным и востребованным является применение технологий, направленных на использование нетрадиционных методов и приемов получения энергии.
Для Республики Саха (Якутия) наибольший интерес представляют технологии, направленные на использование ресурсов сельскохозяйственной отрасли, в частности принципиально новая для нашей республики технология выработки газа на основе так называемого биотоплива. В России и за рубежом биогаз используется уже достаточно давно. В нашей республике возможность такого экзотического способа получения энергии длительное время ставилось под сомнения из-за низких температур. Но благодаря разработкам последних лет доказано, что граница температуры для обеспечения процесса брожения биомассы может быть существенно ниже, чем считалось до сих пор. В связи с этим можно констатировать, что в настоящее время применение газовых установок на биотопливе в наших климатических условиях обретает реальные перспективы.
Нами рассчитана эффективность и обоснована целесообразность применения биогазовой технологии утилизации помета птиц на примере ОАО «Якутская птицефабрика». При этом предлагается внедрить технологию, использующуюся в Китайской Народной Республике (г. Харбин), поскольку климатические условия данного региона наиболее схожи с Якутией.
Биогазовая станция по переработке куриного помета - это безотходное производство, которое в виде конечного продукта дает биожидкость (органическое удобрение), кормовую добавку и биогаз.
Основной эффект получается от применения получаемого высококачественного удобрения. Органическое удобрение в дальнейшем может использоваться в тепличном хозяйстве, растениеводстве, в выращивании зеленых насаждений и поставляться для удобрения сельскохозяйственных полей. Тем самым биогазовая технология помогает решать продовольственную программу. Данный вид удобрения поддерживает равновесие окружающей среды, так как без вреда утилизирует отходы от производства птицеводческого комплекса. При этом снижается количество использования химических удобрений и увеличивается применение экологически чистых источников, совершается естественный кругооборот в природе.
Переработанные в биогазовых установках органические отходы превращаются в биомассу, которая содержит значительное количество питательных веществ и может быть использована в качестве биоудобрения и кормовых добавок. Образующиеся при сбраживании гумусные материалы улучшают физические свойства почвы, а минеральные вещества служат источником энергии и
питанием для деятельности почвенных микроорганизмов, что способствует повышению усвоения питательных веществ растениями.
Основное преимущество биоудобрений заключается в сохранении в легко усваиваемой форме практически всего азота и других питательных веществ, содержащихся в исходном сырье. Значительным преимуществом биоудобрений перед навозом, перепревшим в естественных условиях, является то, что при сбраживании навоза в биогазовых установках погибает значительная часть яиц гельминтов, патогенных микроорганизмов и семян сорняков, содержащихся в навозе.
В то время как азот, калий и фосфор могут содержаться в минеральных удобрениях, для других составляющих биоудобрения, получающегося при анаэробном сбраживании навоза в био-газовых установках, таких как протеин, целлюлоза, лигнин и т.д., нет химических заменителей.
Органические вещества являются базой для развития микроорганизмов, отвечающих за переведение питательных веществ в форму, которая легко может быть усвоена растениями. Благодаря декомпозиции и распаду органической части сырья, сброженный биошлам в доступной форме предоставляет быстро действующие питательные вещества, которые легко входят в почву и сразу готовы для поглощения растениями и почвенными микроорганизмами.
Важными органическими веществами, присутствующими в биоудобрениях, являются гуми-новые кислоты. Они повышают сопротивляемость растений неблагоприятным условиям внешней среды: засухе, высоким и низким температурам, токсичным веществам (пестицидам, гербицидам, тяжелым металлам), повышенной радиации. Гуминовые кислоты способствуют ускорению роста и развития растений, сокращению вегетационного периода, более раннему (на 8-10 дней) созреванию и увеличению урожайности сельскохозяйственных культур.
Содержание гуминовых кислот в биоудобрениях составляет от 13 до 28% на сухое вещество, а их концентрация зависит от температуры процесса сбраживания сырья.
Содержание гуминовых кислот в биоудобрении особо важно для низкогуминовых почв Яку -тии. Применение биоудобрений приводит к быстрой гумификации растительных остатков в почвах, помогает уменьшить уровень эрозии за счет формирования стабильного гумуса и увеличивает содержание питательных веществ, улучшает гигроскопичность, увеличивает амортизирующие и регенерирующие качества почв. Также замечено, что активность дождевых червей при применении биоудобрений, по сравнению с применением простого навоза, увеличивается.
Опыты, проведенные исследователями на разных видах овощных культур, показывают, что заметный эффект от применения биоудобрений проявляется на клубневых овощах (редис, морковь, картофель и т.д.) и на фруктовых деревьях.
При применении биоудобрения урожайность помидоров и картофеля повышается на 15 -27% по сравнению с контрольным вариантом. По свидетельству фермеров, пользующихся биоудобрениями, вегетационный период картофеля, обработанного перед посадкой жидким удобрением, сокращается примерно на 2 недели. При этом урожайность увеличивается в 1,5-2 раза. Латвийской сельскохозяйственной академией проводились опыты на картофеле, показавшие увеличение урожайности на 11-35% при применении биоудобрения.
Измельченная и сброженная в биореакторе помидорная ботва образует детритогумин - запатентованный вид биоудобрений, позволяющий выращивать помидоры, достигающие весом 0,7-
1,5 кг [1].
Таким образом, реализация высококачественного биоудобрения позволяет в короткие сроки окупать затраты, вложенные на строительство биогазовой установки.
Биогаз - сопутствующий продукт данной технологии переработки органического отхода. Следует отметить, что производство биогаза - один из основных путей решения проблемы по снабжению сельской местности альтернативными энергоресурсами. В конечном счете постепенно модернизируется деревня и выстраивается экологический агропромышленный комплекс, дающий «чистую энергетику» и безотходное безопасное производство.
С учетом вышеприведенных положительных эффектов на птицефабрике г. Якутска предлагается внедрить технологию «CSTR», которую успешно используют в Китае. Данная технология основывается на принципе смешивания отходов в биореакторе и выработке биогаза, который, проходя процесс очищения, превращается в газ и преобразуется в электроэнергию. Одновременно в объекте располагается емкость для сбора биогаза (газгольдер), подсобные помещения и вспомогательное оборудование. Кроме того, ежедневно будет производиться большой объем качествен -ного органического удобрения, включающего в себя 50% воды.
Птицефабрика ежедневно производит 33 т органического отхода. В этом случае биогазовая станция будет иметь площадь 3500 м3 и следующее основное оборудование:
1) 4 бродильных резервуара общим объемом в 500 м3- биореакторы;
2) 2 резервуара для накопления биогаза общим объемом в 500 м3- газгольдеры;
3) генератор для выработки электроэнергии из биогаза.
Сроки строительства - всего 1-2 года. Общее инвестирование объекта оценивается в 34250000 руб.
Основными составляющими элементами биогаза являются метан, двуокись углерода, сероводород, окись углерода, водород, окись и азот и другие газы. Метана больше всего - около 5070%. Двуокись углерода и другие газы составляют наименьшее количество, занимая объем не более 2-5%. Газ используется для выработки электроэнергии для продажи населению, остатки энергии используются для хозяйственных нужд. Начав эксплуатировать биогазовую станцию, можно ежедневно получать 5250 м3 биогаза, эквивалентного 7 875 кВт электричества. Ежегодный ожидаемый объем биогаза будет равен 1 916250 м3, что соответствует 2 874375 кВт электроэнергии.
Годовой объем перерабатываемого отхода птицефабрики - 11 880 т, соответственно ежегодно вырабатывается удобрений 6,022 т, «болотной жидкости» - 54,203 т. «Болотная жидкость» -тоже органическое удобрение, но менее концентрированное, используется для непосредственного полива сельскохозяйственных культур. Удобрение состоит из азота, фосфора и других полезных минеральных элементов, также содержит необходимые витамины, белок, сахара, железо, цинк и другие минералы, которые благоприятно влияют на повышение урожайности. Разложение и синтез химических и минеральных удобрений в почве требуют достаточного времени. А вещества, содержащиеся в удобрениях от биогазовой переработки, легко усваиваются растениями, эффективно удобряют почву, подавляют вредные микроорганизмы и тем самым повышают урожайность сельскохозяйственных культур, улучшают почву, снижают потребность в химических удобрениях - возможен полный отказ от их использования. В год на 1 га поля следует вносить примерно 0,5 т биогазового удобрения и «болотной жидкости». Удобрение в сухом виде используется также в качестве витаминной добавки (эффлюент) при кормлении животных. В Китае эффлюент добавляют в корм рыбам. «Болотная выжимка» (биовыжимка) также является органическим удобрением и повышает урожайность сельхозкультур в среднем на 20%.
Продукция биогазовой станции следует реализовывать по рыночной стоимости. Переработка сжиженного газа в электроэнергию с условиями затрат реализуется по цене 2,55 руб. за 1 кВт. Удобрение можно продавать по 1000 руб./ т, «болотную выжимку» - за 100 руб./ т.
Согласно расчетам доход по проекту в среднем в год должен составить 18 771 955 руб. Данный доход состоит из экономии электроэнергии - 7 329 655 руб., продажи газа - 6 022 000 руб., удобрения - 328 000 руб., «болотной жидкости» - 5 092 300 руб. Объект окупается в течение 2 лет (включая строительство станции).
Следующим полезным видом продукции биогазовой технологии является кормовая биодо -бавка, получаемая путем высокотемпературной сушки «болотной выжимки», или жидкой отработанной массы, выгружаемой из биогазовой установки.
Биоудобрения используются в мировой практике в качестве активных добавок для повышения эффективности кормов для животных. В процессе анаэробной переработки сырья происходит обеззараживание биоудобрений от всех видов патогенной микрофлоры, особенно при использовании термофильного режима. Более того, переработанная биомасса приобретает новые, положительные с точки зрения кормопроизводства свойства - в ней повышается концентрация белка, она обогащается витамином В12 и другими полезными веществами.
Промышленное производство белково-витаминных добавок на основе сброженных в биога -зовых установках сельскохозяйственных отходов развито в Израиле, на Филиппинах, в Канаде, США, где средняя стоимость таких добавок составляет 12 долл. за 1 т [1].
Нормальная деятельность организма животных возможна при регулярном поступлении пищи, содержащей питательные вещества: жиры, белки, углеводы, а также минеральные соли, воду и витамины. Питательные вещества являются источником энергии, покрывающим расходы организма, и строительным материалом, который используется в процессе роста организма.
Белки занимают особое место среди питательных веществ, необходимых животным, так как не могут быть заменены какими-либо другими пищевыми веществами. При недостаточном количестве белков нормальный рост организма приостанавливается. К полноценным белкам относятся преимущественно белки животного происхождения, однако некоторые растения (картофель, бобовые и др.) содержат полноценные белки.
Витамины играют роль регуляторов обмена веществ. В настоящее время выделено и изучено более 20 витаминов, необходимых животному организму. Особую роль для животных играет ви -
тамин В12. Недостаток В12 может вызвать нарушение роста, ухудшение усвояемости (в особенности белка), анемию («сухотку» у жвачных животных), жесткость волосяного покрова и воспаление кожи. У птицы недостаточное поступление в организм витамина В12 приводит к повышенной смертности эмбрионов и вылупившихся цыплят. В случае длительного дефицита этого витамина может также ухудшиться яйценоскость.
Таким образом, с точки зрения животноводства корма должны содержать необходимые ос -новные элементы в усваиваемой животными форме, набор микроэлементов, иметь определенное количество полноценного белка, а также содержать витамины [1].
Кроме вышеперечисленных параметров, биогаз с успехом пользуется в ряде стран как альтернатива обыкновенному бензиновому и дизельному топливам в двигателях внутреннего сгорания. На биогазе могут работать двигатели мощностью от нескольких десятков до сотен кВт. По сравнению с ними производство тока из древесины, соломы и других видов сухой биомассы имеет смысл лишь на мегаватных (свыше 1000 кВт) установках с паровыми турбинами. В 2012 г., по данным ГИБДД МВД, в Республике Саха (Якутия) на учете состояло около 245694 ед. автотранспорта. Из них приблизительно 30% приходится на грузовые автомобили, 70% - на легковые машины и автобусы. Ежегодно в республику завозится около 45 тыс. автомобилей, при этом около 25 тыс. единиц заменяют выводимые из эксплуатации транспортные средства, а 20 тыс. единиц составляют ежегодный прирост республиканского автомобильного парка. Подсчитано, что в среднем один автомобиль потребляет 2,2 т бензина (дизтоплива) в год. Таким образом, весь республиканский автопарк потребляет порядка 550 тыс. т нефтяного топлива в год. Однако разведанные запасы нефти небезграничны и спустя всего несколько десятков лет иссякнут.
Из месячного объема помета, производимого на Якутской птицефабрике, можно получать 141045 м3 биогаза. Принятые эквивалентные энергетические показатели при преобразовании биогаза следующие: 0,6 л жидкого топлива, или 1 кг угля, или 1,7 кг дров, или 1,3 кВт-ч электроэнергии. Тогда по энергетическим показателям 141045 м3 биогаза будет соответствовать следующим объемам эквивалентного топлива и энергии: жидкое топливо - 84627 л; электроэнергия -
183358,5 кВт-ч; уголь - 141045 кг и дрова - 239776,5 кг. Стоимостные показатели соответственно будут составлять: 1692540 руб.; 366717 руб.; 169254000 руб.; 479553000 руб. По замещаемым топливам переработка биогаза в электроэнергию наиболее выгодна, что показывают расчеты. Поэтому в ОАО «Якутская птицефабрика» целесообразно преобразовывать биогаз в электроэнергию.
Биогазовая станция по переработке биологических отходов птицефабрики предотвращает загрязнение окружающей среды и защищает экологию, одновременно при этом вырабатывает альтернативный источник энергии в виде биогаза. Утилизация в биореакторах снижает выброс СО2 в атмосферу, уничтожает неприятный запах, уменьшает так называемый «парниковый» эффект.
Для рационального управления и эксплуатации станции необходимо обеспечить ряд мероприятий по усилению контроля и мониторинга, в частности усилить технический контроль и развивать непрерывное обучение персонала и оснащение предприятия, создать условия для усовершенствованной и эффективной системы менеджмента (управления).
Согласно мировым нормам строительства биогазовых станций, объект должен находиться в местности с недостатком источника энергии. По нашему мнению, Якутская птицефабрика относится к такому виду производства, так как потребляет немалое количество электроэнергии и природного газа и несет значительные экономические затраты, которые влияют на цену конечного продукта (яйца, мясо кур). Высокая цена уменьшает покупательную способность потребителей, и, как следствие, предприятие получает малый доход. Снижение энергозатрат позволит снизить потребительскую цену, и доходы птицефабрики за счет реализации большего количества продукции значительно возрастут.
Вторым требованием является то, что объект должен строиться в агропромышленном секторе с богатым источником органического сырья, требующего обязательной утилизации. Необходимо тщательно выбирать место для биогазовой станции, основательно продумать логистические пути и источники сырья, учитывать геологический район транспортные пути, экологическую защиту местности и другие условия.
Многолетний опыт китайских ученых и производственников подтверждает, что ввод такого объекта действительно является назревшим и своевременным, а технологии и оборудование на данном этапе соответствуют времени и основываются на технических стандартах и нормах.
1. Веденев А.Г., Веденева Т.А. Биогазовые технологии в Кыргызской Республике. - Бишкек: Типография «Евро», 2006. - С.54-56.
Bibliography
1. VedenevA.G., Vedeneva T.A. Biogas technology in the Kirgiz Republic. - Bisckek: «Euro» Press, 2006. -P. 54-56.
