Данные по крупным, средним и малым сельскохозяйственным организациям Республики Татарстан

Поголовье скота и птицы на конец отчетного периода, тыс. голов	январь 2010 года
крупного рогатого скота	184.4
свиней	2046.4
птицы	38828.0

К 2012 году ожидается увеличение объема отходов до 11,5 млн тонн. В результате регион сталкивается с серьезной экологической проблемой - утилизацией отходов животноводства и птицеводства. На сегодняшний день данная проблема имеет приоритетный характер и требует принятия энергичных мер. Такая же ситуация складывается и в других регионах Российской Федерации с развитым животноводством.

Традиционные способы использования отходов животноводства и растениеводства, применяемые в настоящее время в сельском хозяйстве России, ограничиваются получением из них путем естественного перегнивания органических удобрений в виде перегноя. Свиноводческие отходы до сих пор не находят квалифицированного применения даже в виде удобрений и создают значительные экологические и технические сложности при их хранении и утилизации. Расчетные данные показывают, что на территории России ежегодно образуется значительное количество отходов растениеводства и животноводства. Только отходы животноводства (около 650 млн т/г) по своей удобрительной ценности эквивалентны 65 % объема удобрений, необходимых для сельского хозяйства страны. Однако этот огромный потенциал используется не более чем на 25 %. При этом образующиеся отходы наносят значительный вред окружающей природной среде. При переработке таких отходов используют различные методы: утилизация с помощью вермикультуры, сжигание, получение компоста, складирование в течение трех лет, а затем внесение на поля с целью повышения плодородия почв. Одним из перспективных способов является анаэробная переработка отходов в биореакторе с последующим получением биогаза и биоудобрений.

Одним из наиболее перспективных, если не сказать единственным, на сегодняшний день вариантом решения этой проблемы является биотехнологическая переработка сельскохозяйственных отходов в высококачественные экологически чистые удобрения и топливный биогаз.

В процессе сбраживания в анаэробных условиях отходы превращаются в высококачественные удобрения, в которых потери азота сокращаются с 50-60 % (при традиционном способе) до 1-2 %. При этом значительная часть трудно усвояемых соединений азота переходит в доступную для питания корневой системы растений форму, вследствие чего коэффициент использования азота достигает 80 % по сравнению с 25-30 % для перегноя. Одновременно с этим происходит полная минерализация фосфора и обеспечивается сохранность калия, за счет чего урожайность зерновых и картофеля повышается на 25-30 %, а многолетних трав с 28-30 до 45-50 ц/га. Помимо этого, высушенный и гранулированный биошлам содержит аминокислоты и витамины группы В и может быть использован в качестве кормовой добавки.

При метановом сбраживании отходов в условиях термофильного режима уничтожаются семена сорных растений и возбудители инфекционных заболеваний и фитофторы, что способствует очищению полей от сорняков, а также улучшению санитарно-гигиенического состояния животноводческих хозяйств.

Одновременно с получением удобрений из 1 т сухого навоза при оптимальных условиях можно получить 350 м3 метансодержащего (60-65 % СН4) биогаза, что в пересчете на одну голову крупного рогатого скота составляет около 2,5 м3/сут, а в течение года – 900 м3 газообразного экологически чистого топлива. В пересчете на традиционное моторное топливо одна корова кроме молока позволяет получать ежегодно около 600 л бензина.

Еще одним ценным видом продукции, которую можно получать из биогаза, является так называемый биометан. Использование биометана, получаемого путем очистки биогаза от СО2, в качестве газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания показало, что выброс токсичных веществ по сравнению с бензином снижается: по СО в 5-10 раз, оксидам азота в 1,5-2,5 раза. (Возможные направления использования).

При переработке 1 т свежих отходов крупного рогатого скота и свиней (при влажности 85%) можно получить от 45 до 60 м3 биогаза, 1 т куриного помета (при влажности 75%) - до 100 м3 биогаза.

Основную часть биогаза составляет метан (55-85%) и углекислый газа (15-45%). В состав сероводорода. Его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 МДж/м.

По теплоте сгорания 1 м3 биогаза эквивалентен: 0,8 м3 природного газа, 0,7 кг мазута, 0,6 кг бензина, 1,5 кг дров (в абсолютно сухом состоянии), 3 кг навозных брикетов. Биогаз, как и природный газ, относится к наиболее чистым видам топлива.

Анаэробная переработка отходов животноводства и растениеводства приводит к минерализации основных компонентов удобрений (азота и фосфора) и их сохранению (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30-40% азота). Кроме того, процесс этого способа переработки занимает намного меньше времени по сравнению с традиционными (компостирование, складирование и др.

Отсутствие технологий обеззараживания животноводческих отходов приводит не только к загрязнению окружающей природной среды, но и к распространению инфекционных заболеваний среди людей и животных. По данным ФАО, экономический ущерб, причиняемый болезнями скоту в разных странах, составляет: в Германии – 12,5; США – 15,4; Англии – 15,7; Франции – 15,1, а Италии даже 19,0 % от годовой стоимости продукции животноводства. Вероятно, что в России эти показатели не меньше.

За рубежом проблеме получения и использования биогаза уделяют большое внимание. В качестве сырья для получения биогаза используют навоз крупного и мелкого рогатого скота, свиной навоз и птичий помет, органические бытовые отходы, стоки городских канализаций и даже человеческие экскременты. Во многих странах мира имеется значительное количество мелких и крупных промышленных установок по производству биогаза и их количество постоянно увеличивается. Так, если в 1980 году таких установок по получению биогаза насчитывалось около 8 млн штук (с суммарной мощностью около 3 млрд м3/г), то в настоящее время эти показатели соответствуют производительности только одной страны – Китая.

Во многих странах мира эксплуатируется широкий спектр установок, перерабатывающих органические отходы: от индивидуальных фермерских хозяйств (2-3 животных) до биоэнергетических комплексов для крупных животноводческих хозяйств (до 110 тыс животных). Биогазовые установки для фермерских хозяйств обеспечивают их потребность в энергии на 100 % летом и на 50 % зимой. Производительность биоэнергетических комплексов позволяет обеспечивать тепло- и электроэнергией не только собственные нужды, но и реализовывать их другим потребителям.

Перечисленные факторы позволяют сделать вывод о значительном экономическом и экологическом эффекте от внедрения технологий биопереработки отходов животноводства и растениеводства в сельскохозяйственном секторе России.

Актуальность поставленной задачи обусловлена необходимостью улучшения экологического и энергетического положения, повышения социально-экономического уровня и качества жизни и перспективного развития агропромышленного комплекса России.

Решение данной проблемы возможно только на основе комплексного научно-обоснованного подхода и при безусловной поддержке на региональном и федеральном уровне. Создание индустрии биопереработки органических отходов должно быть ориентировано на конкретного потребителя и разрабатываться на основе комплексного анализа имеющихся объемов и региональной плотности распределения отходов, необходимой номенклатуры и типоразмеров, а также структуры и емкости рынка биоустановок и биоэнергетических комплексов.

Создание индустрии биотехнологической переработки сельскохозяйственных отходов позволит решить следующие взаимосвязанные проблемы:

1) Экологическую – обеззараживание отходов животноводства и растениеводства.

2) Экономическую – получение высококачественных удобрений.

3) Энергетическую – производство топливного биогаза, биометана и электроэнергии.

4) Социальную – обеспечение занятости населения при производстве, строительстве и эксплуатации биоустановок и биоэнергетических комплексов.

Для решения данных экологических проблем нами предложена модернизированная установка для переработки органических отходов агропромышленного комплекса с последующим получением биогаза (рис. 1).

Основным элементом установки является биореактор, в котором происходит анаэробное брожение. Также установка содержит газгольдер, системы подготовки, подачи и слива субстрата, устройства перемешивания, подогрева, и средства автоматики.

Рис. 1 Схема биогазовой установки

1 – источник отходов; 2 – система подготовки субстрата; 3 – биореактор; 4 – барботажное перемешивающее устройство; 5 – газгольдер; 6 – система сбора готового биоудобрения

В отличие от известных ранее биогазовых установок технология переработки отходов производств АПК с последующим получением биогаза и биоудобрений в данном комплексе включает несколько стадий.

Сначала отходы поступают в систему подготовки субстрата, которая представляет собой емкость необходимого объема. Здесь происходит измельчение отходов, перемешивание и доведение до влажности 85-90 %.

Затем подготовленный субстрат подается в биореактор.

Закачка сырья в реактор осуществляется двумя способами: под действием силы тяжести и с помощью специального насоса. Первый способ простой и дешевый, но усложняется с ростом объема биореактора, поэтому применяется для малых установок. Для больших и средних установок применяют второй способ.

Биореакторпредставляет собой герметичную емкость, в которой происходит сбраживание органических отходов с получением биогаза.

Одним из условий интенсификации режима переработки отходов АПК является перемешивание перерабатываемой массы. В современных биореакторах применяют в основном два вида перемешивания: механическое с использованием вращательного движения и барботажное.

Другим не менее важным условием является поддержание оптимального температурного режима в биореакторе. На практике применяют два режима брожения: термофильный и мезофильный. Согласно первому, температура бродильной массы должна составлять 51-55 °С. Реакция при этом идет в два раза интенсивнее. Термофильный режим имеет преимущества с точки зрения экологии: болезнетворные организмы, семена сорняков уничтожаются практически полностью. Пропускная способность реактора повышается, что позволяет уменьшить объем реактора и снизить затраты.

При мезофильном режиме (30-40 °С) требования к точности поддержания температуры менее строгие. Но не всегда существует возможность применения этого режима с экологической точки зрения.

Температурный режим поддерживается при помощи системы обогрева биореактора. Рациональнее всего для подогрева использовать энергию сжигания биогаза, вырабатываемого установкой.

После брожения удобрение отводится из биореактора в специальную емкость. Из больших биогазовых реакторов перебродившую массу подают в емкость с использованием насосов.

На малых и средних установках биоудобрения поступают в емкость самотеком, поэтому необходимо располагать емкость несколько ниже патрубка слива готового удобрения из реактора. При этом система слива представляет собой канализационную трубу со специальным краном. Если позволяет рельеф местности, то удобрение может поступать самотеком из реакторов любого объема в емкость для хранения.

Для непрерывного функционирования биогазовой установки устанавливают блок автоматики, который контролирует все параметры и поддерживает заданный температурный режим. Блок автоматики состоит из программируемого контроллера температуры и таймера. Термоконтроллер осуществляет управление системой подогрева биореактора. Таймер управляет работой электрического миксера при перемешивании субстрата в емкости для подготовки, насосами для подачи исходного субстрата и удаления готового удобрения из реактора, компрессора для подачи газа на барботирование.

Предложенная биогазовая установка за счет использования биореактора барботажного типа позволяет повысить интенсивность и качество переработки отходов АПК, варьировать объемы исходного субстрата и период брожения за счет выбора температурного режима. Применение современной системы автоматизации позволит сделать процесс непрерывным.

В настоящее время проведена серия опытов по математическому моделированию процесса получения биогаза, определены основные конструктивные и технологические параметры (влажность и температура субстрата, продолжительность процесса и интенсивность перемешивания биогаза).

Целью исследований является определение оптимальных параметров и режимов работы интенсивной технологии получения биогаза.