CC BY
117
УДК 631.95
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА НА ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
С.И. Павленко, А.А. Ляшенко
Представлены основные направления технологических решений переработки навоза с производством биогаза и высококачественных органических удобрений.
Ключевые слова: навоз, помет, анаэробное сбраживание, ускоренное компостирование, биогаз, компост, смеситель-аэратор.
Проблема. Агропромышленный сектор занимает значительное место в национальном валовом продукте Украины. Производство животноводческой продукции в этом секторе связано с образованием отходов, утилизации которых на сегодня отведено недостаточно внимания. В современном животноводстве навоз является товаром - органическим удобрением, которое почти не вносится в почву из-за недостаточного внедрения современных технологий его подготовки. Под урожай 2012 г. аграрии внесли около 400 кг органики на 1 га при необходимости 8-10 т на такую же площадь. Вместе с тем навоз - это вещество, которое после прохождения через желудочный тракт животного приобретает исключительную биологическую активность и содействует развитию, как микрофлоры, так и образованию гумуса в почве. Поэтому, исключительно через животноводство можно не только поддерживать высокий уровень плодородия почвы, но и урожайность с.-х. культур. Только за счет прямого действия 1 т навоза можно увеличить урожайность озимой пшеницы на 5-10 ц/га. При этом почвой из органических отходов усваивается всего 25-30% элементов питания. Последействие органических удобрений, особенно высококачественного компоста, возможно до трех-четырех лет. Без внесения органических удобрений почва теряет гумус (показатель плодородия), деградирует. Внесение же минеральных удобрений без органических не только не решает проблему, но и заостряет ее.
В последнее время в мировой практике на первое место вышли энергетические направления, связанные с использованием биогазовых установок для утилизации органического сырья как навоза, так и продуктов кормовой базы животноводства - силоса. Поэтому возникают вопросы: насколько биогаз является возобновляемым источником энергии; сколько будет возвращено органики в почвы; что будет определять энергетическую составляющую утилизации или возобновления плодородия почв, и какими являются экономические предпосылки и альтернативные пути решения этих проблем?
Результаты исследований. Существует три основных подхода относительно использования навоза: технология анаэробного сбраживания, технология ускоренного компостирования навоза с органическими влагопоглощающи-ми отходами и комплексная технология анаэробного сбраживания с последующим разделением на фракции и компостированием твердых остатков органического вещества.
Объемы органических отходов разных видов составляют в Украине свыше 300 млн. т/год, а энергетические ресурсы биомассы оцениваются в 5-10 млн. тонн условного топлива. Основные запасы биомассы сосредоточены в сельском хозяйстве: только в животноводстве накапливается около 100 млн. тонн навоза, в растениеводстве - свыше 50 млн. тонн, при этом на навозную составляющую приходится около 60%, однако в сельхозпредприятиях накапливается не более 34 млн. тонн [1]. Биомасса является исключительно натуральным органическим сырьем. Она должна максимально использоваться, в первую очередь для получения натуральной кормовой базы в животноводстве. Биомассу получают за счет функционирования почвенной среды, нагрузки на которую с каждым годом увеличивается. Поэтому эффективность использования биомассы как натурального сырья является одним из главных вопросов современного сельхозпро-изводства. Конверсия биомассы непосредственно в продукцию животноводства, с последующей переработкой органических отходов в органические удобрения, должна иметь замкнутый цикл, который является наиболее целесообразным. Таким образом, необходимо определиться, на каком уровне нас может интересовать энергетическая составляющая утилизации органического вещества, так как производство органических удобрений может быть более целесообразным с точки зрения поддержания плодородия почв, чем одностороннее наращивание производства и применения минеральных удобрений.
Технология анаэробного сбраживания. Одним из возможных способов полезной утилизации отходов агропромышленного комплекса есть использование биогазовых установок, с помощью которых можно получить биогаз с теплотой сгорания 20-25 МДж/м (содержание метана 60-75%) и высококачественные органические удобрения, одновременно решая проблему загрязнения окружающей среды отходами сельхозпредприятий. Как правило, в биогазовых установках перерабатывают свиной и коровий навоз, помет птицы, измельченные растительные отходы, осадки сточных вод, отходы цехов забоя животных и т.п. В отрасли биогазовой индустрии богатый научно-производственный потенциал Украины, к сожалению, не реализован. Сегодня в Украине функционирует несколько биоэнергетических установок. Среди них можно назвать биогазовую установку с реактором 800 м (рис. 1) на свинокомплексе 10 тыс. голов завода «Запорожсталь» и сравнительно недавно созданную биогазовую установку с двумя реакторами (рис. 2), которая перерабатывает навозные стоки от 15 тыс. свиней. Построена она на свиноферме «Агро-Овен» (с. Еленовка Днепропетровской обл.). Расчетная производительность установки - 3300 м биогаза/сут.
Рис. 1. Наземный биогазовый реактор Рис. 2. Заглубленный реактор
«Запорожсталь» «Агро-Овен»
Значительные начальные инвестиции и непривлекательные сроки окупаемости проекта нивелировали весь потенциал достоинств биогазовой технологии переработки отходов производства. Вместе с тем с повышением тарифов на основные энергоносители в Украине пропорционально растет заинтересованность во внедрении таких проектов. Очевидно, Украина в ближайшем времени приступит к созданию новых биогазовых установок. По оценкам экспертов, для производства биогаза в Украине необходимо построить около 3 тыс. биогазовых установок со средним объемом 1000 м каждая, в т.ч.: на свинофермах и свинокомплексах 295 шт.; на птицефабриках и птицефермах 130 шт.; в других животноводческих хозяйствах и на перерабатывающих предприятиях 2478 шт.
Технологические проблемы внедрения биогазовых установок сдерживаются следующими аспектами: отсутствием апробированных отечественных технологий твердофазного метанового сбраживания подстилочного навоза и помета, который составляет свыше 80% навозной биомассы в стране; необходимостью дальнейшей разработки установок для производства и использования биогаза, а также переработки с.-х. отходов с целью получения биологически активных и высокоэффективных удобрений для ускоренного возобновления плодородия почв; отсутствием координации НИР в этой отрасли, специализированных проектных учреждений и заводов-изготовителей оборудования.
Биотрансформация энергии биомассы в биогаз путем метанового сбраживания позволяет комплексно решать энергетические, социальные, агрохимические и экологические проблемы. Важной составляющей эффективности биогазовой технологии наравне с прямыми эффектами (получение биогаза и высококачественных удобрений) является существование ряда опосредствованных эффектов, значение которых основывается как на экономических показателях, так и на общегосударственных приоритетах. К ним следует отнести: снижение энергетической составляющей в себестоимости сельхозпродукции; экономия энергоресурсов в высокозатратном производстве минеральных удобрений; резервирование энергии для беспрерывного выполнения основных технологических процессов в производстве животноводческой продукции; снижение герби-цидных нагрузок на почвы и т. п.
Эффективность работы и использования потенциала биогазовых технологий и биоэнергетических установок в значительной степени зависит от основной цели их создания, т. к. этим определяется их техническая оснастка, сложность, комплектность, а отсюда и расходы на капитальные сооружения и обслуживания. Внедрение таких установок предусматривает:
1) Рациональное использование энергии биомассы отходов сельскохозяйственного производства (животного, растительного, коммунального происхождения и т. п.) с получением биотоплива и привлечением к энергобалансу дополнительного нетрадиционного и возобновляемого источника энергии в виде биогаза. Реальный потенциал получения биогаза в АПК Украины лишь от переработки животноводческих отходов (навоза) составляет 0,3-0,5 млрд м /год, между тем как общий биогазовый потенциал в животноводстве составляет 2,5 млрд м /год.
2) Получение высококачественных биоудобрений (10-20 млн т/год) и повышение благодаря этому урожайности сельскохозяйственных культур (на 1020%), а главное - соблюдение требований сохранения гумусного состава и плодородия значительно обедненных за последние годы почв Украины.
3) Диверсификацию сельскохозяйственного производства за счет торговли новой продукцией (биофитопрепаратами, витаминами), квотами за счет уменьшения выбросов парниковых газов - двуокиси углерода и метана, которые составляют 96% состава биогаза.
4) Охрану окружающей среды: уменьшение или предупреждение загрязнения окружающей среды вторичными продуктами (отходами) сельскохозяйственного производства; улучшение экологической, санитарно-гигиенической ситуации в регионе (путем дезодорации, девитализации, обеззараживания, очистки стоков от органических веществ).
5) Более полное вовлечение в естественный круговорот химических элементов, в частности биогенных - С, N Р, К, в том числе в цикле "земля - ферма - земля", возобновление и стабилизация почв, их плодородия и т.п.
6) Сокращение цикла, энергетических и капитальных затрат в системах обработки отходов (вторичных ресурсных продуктов) и сточных вод в сравнении с типовыми решениями.
Анализ распределения потенциала биомассы „отходов" животноводства по исторически сложившимся природно-экономическим зонам и административным территориям Украины показывает, что первое место (свыше 43%) принадлежит Лесостепной зоне, дальше идет расположенная в южной части страны Степная зона, на которую приходится 30% возможного производства биогаза. В северо-западной зоне Полесья потенциал биогаза составляет 27%. Таким образом, наиболее потенциально обеспеченными биогазом следует считать сельские регионы Степной зоны, наименее обеспеченными - регионы Полесья. Отметим, что в Степной зоне сосредоточен значительный научно-промышленный потенциал Украины, достаточный для производства и оснастки современным обору-
дованием для переработки навоза с получением экологически чистых биоудобрений и биогаза. К областям с развитым животноводством значительными возможностями производства биогаза (свыше 100 млн м /год) относятся Винницкая, Хмельницкая, Львовская, Полтавская, Житомирская, Черниговская и др.
Стоимость биогаза можно считать экономически оправданной, когда соотношение стоимости производства биогаза и удельной стоимости других энергоносителей адекватно соотношению соответствующих значений энергии в единицах, принятых во время их реализации. Следует отметить, что в странах с теплым климатом энергетические расходы на поддержание технологического процесса минимальны. Вследствие чего удельный вес товарного биогаза достаточно высок - 80-100%. В зонах с умеренным и холодным климатом (Россия, Беларусь, Украина) удельный вес товарного биогаза составляет 30-50%.
Технология ускоренного биотермического компостирования - это управляемый процесс с созданием и поддержанием оптимальных условий для прохождения микробиологических процессов (влажности, температуры, структуры, состава и наличия биогенных веществ) и минимизацией срока переработки отходов в качественный компост [2]: ускоренное биотермическое компостирование рекомендуется к использованию непосредственно на животноводческих объектах различного типоразмера с подстилочным и бесподстилочным содержанием животных; может внедряться во время реконструкции существующих площадок для производства компостов, в т.ч. в составе сооружений биологической переработки отходов; может применяться во всех зонах Украины.
Компостирование - биотермический процесс разложения органических отходов в естественных или в искусственно созданных управляемых условиях с целью получения высококачественных органических удобрений. Технология ускоренного биотермического компостирования базируется на таких концептуальных положениях [3]: создание оптимальных условий для прохождения микробиологических процессов в подготовленных смесях; завершенность процесса с минимизацией необходимых технологических и ресурсных расходов; гарантия качества конечного продукта - компоста как органического удобрения; рациональная подготовка смесей к компостированию [4]; санитарно-гигиеническая и экологическая безопасность, как самого производства, так и полученного компоста. Компостирование, в отличие от анаэробного сбраживания, сопровождается значительным высвобождением тепловой энергии, которая используется непосредственно в технологическом процессе для обеззараживания патогенной микрофлоры, девитализации семян сорняков и испарения избыточной воды с доведением влажности компоста до 55-60%.
Техническое обеспечение технологии компостирования достаточно простое и не нуждается в существенных капиталовложениях за исключением наличия площадок с твердым покрытием, которое является нормативным требованием любых систем хранения навоза. Основным техническим средством является смеситель-аэратор компостных смесей (рис. 3а), который выполняет пол-
ный комплекс технологических операций: смешивание компонентов, формирования и перебивку буртов, механическую аэрацию и увлажнение компостных смесей [5]. Привод от вала отбора мощности трактора позволяет варьировать частотой вращение рабочего органа, что обеспечивает высокую однородность и качественную структуру компостов (рис. 3б). Периодическая перебивка буртов (ширина в основе до 2,5 м и высота до 1,5 м) насыщает компостную массу кислородом с контролируемым прохождением биотермических процессов (диапазон оптимальных температур от +55оС до +60оС).
Рис. 3. Смеситель-аэратор компостов (разработка ИМЖ НААН [5]): а) перебивка буртов; б) структура субстрата и конечного продукта
Технологические отличия переработки навоза заключаются в том, что для ведения процессов анаэробного сбраживания используют экскременты, разреженные до влажности 92-94%, а в технологиях компостирования наоборот влажность субстрата должна быть снижена до 75% путем введения влагопогло-щающих компонентов (в первую очередь это может быть солома). Эти особенности обусловливают объемы переработки отходов. Например, к 1 т экскрементов влажностью 88% следует добавить: 0,7 т воды, чтобы получить субстрат для анаэробного сбраживания влажностью 93%; 0,24 т соломы (влажностью 20%), чтобы получить исходную компостную смесь влажностью 75%. В таблице приведены сравнительные показатели технологий переработки 1 т экскрементов с учетом 30% распада органического вещества в исходных субстратах (при идеализированных условиях).
Таблица. Сравнительные показатели технологий переработки навоза
Субстрат на основе 1 т экскрементов Конечная продукция
Мас- Влаж- Сухое Органиче- Био- Тепловая Масса Удельное со-
Компоненты са, ность, веще- ское веще- газ, 3 м энергия, конечного держание ор-
т % ство, кг ство, кг МДж продукта, т ганики, кг/т
Вода 0,7 т 1,7 93 120 99 21,7 477 1,67 40,8
Солома 0,24 т 1,24 75 310 280 - 1764 0,57 158,1
Таким образом, при анаэробном сбраживании объемы переработки навоза возрастают на 27%, а объемы конечного продукта, предназначенного к утилизации, в 2,8-3 раза (фактически транспортные расходы).
Для переработки помета с различными отходами птицеводческих предприятий предложена [6] технологическая схема, объединяющая несколько процессов: компостирование в биоферментационных камерах, компостирование со стационарной системой аэрации, компостирование в буртах с использованием смесителя-аэратора компостов (рис. 4).
Рис. 4. Генплан комплекса сооружений переработки помета и отходов птицеводческого объекта: 1 - блок биоферментационных камер для компостирования мертвой птицы; 2 - площадка со стационарной системой аэрации для компостирования подстилочного помета с отходами убойного цеха; 3 - площадка для компостирования подстилочного помета
в буртах; 4 - площадка готовой продукции; 5 - биофильтр; 6 - площадка для хранения влагопоглощающих компонентов; 7 - пожарный резервуар; 8 - накопитель дождевых стоков;
9 - накопитель бытовых стоков; 10 - накопитель стоков биоферментационных камер; 11 - артезианская скважина; 12 - техническая площадка; 13 - санитарно-бытовое помещение;
14 - дезинфекционный барьер; 15 - ограждение
В настоящее время отрабатываются технологические режимы, позволяющие добиться оптимальных параметров с использованием современных технических средств в процессах компостирования. Наиболее перспективным и эффективным направлением следует считать совместное использование технологии анаэробного сбраживания и ускоренного биотермического компостирования, т.е. биогазовые системы должны проектироваться вместе с системами получения органических удобрений. Пример такого технологического решения представлен на рисунке 5.
Выводы
1. Использование технологий утилизации органических отходов связано с экономическими, технологическими, техническими и экологическими факторами. Целесообразность применения той или иной технологии должна определяться отдельно для каждого случая функционирования с.-х. производства и каждого технологического задания относительно получения животноводческой продукции.
2. Внедрение биогазовых технологий экономически целесообразно лишь в рамках функционирования единых замкнутых систем, направленных на получение продукции растениеводства и животноводства.
3. Технологии компостирования следует внедрять на животноводческих предприятиях с подстилочным содержанием животных и птицы с производством высококачественных экологически безопасных удобрений (компостов).
1. Павленко С.1. Мониторинг оргашчних вiдходiв тваринництва в Укршш // Мехашзащя, еко-лопзащя та конвертащя бiосировини у тваринництвi. Запорiжжя, 2012. Вип.1(9). С. 149-157.
2. Технолопя прискореного 6ioTepMi4Horo компостування гною з оргашчними вологопогли-нальними вiдходами АПК: Рекомендацп / О.О. Ляшенко [и др.] Запорiжжя, 2007. 32с.
3. Ляшенко О. Hay^Bi пiдходи вдосконалення технологи прискореного бiотермiчного компостування оргашчних вiдходiв // Hayково-технiчний бюлетень 1Т УААН. 2006. В.94. С. 213.
4. Ляшенко О.О. Методология готування збалансованих сумшей оргaнiчних вiдходiв перед компостуванням // Материалы IV Международной конференции. Харюв, 2007. С. 183-186.
5. Шевченко I. Змшувач-аератор компостованих сумшей // Вiсник aгрaрноi науки. 2010. №2.
6. Комплекс споруд для прискореного бiотермiчного компостування послщу i вiдходiв вiд шжтвницьких об'ектiв ПАТ «Володимир-Волинська птахофабрика» / 1.А. Шевченко [и др.] // Зб. наук. праць 1нституту мехашзаци тваринництва НААН. Зaпорiжжя, 2011. В.2. С. 4-15.
Павленко Сергей Иванович, канд. технических наук, доцент, заведующий лабораторией Ляшенко Александр Александрович, инженер, ведущий специалист ННЦ «Институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Украины Тел. (+38) 067-562-89-27 E-mail: lyashenkozp@gmail.com
Basic directions of technological decisions of processing manure with the production of biogas and high-quality organic fertilizers are presented.
Keywords: manure, poultry dung, anaerobic digestion, speed-up composting, biogas, compost, compost turner.
Рис. 5. Схема комплексной системы переработки навоза на животноводческом объекте
Литература:
