Биогаз из бытовых отходов
С одной стороны, конечно, полезные продукты в виде ветчины или отбивных. Однако, как следует из названия, на этот раз речь пойдет о биотехнологии, и даже без биотехнологии такие продукты хороши, поэтому мы не будем здесь затрагивать этот аспект. К сожалению, у свиноферм есть и обратная сторона. Это совсем не аппетитно, но, к сожалению, не менее важно.
Помимо мяса здесь производятся и отходы, количество которых в разы больше. Прибавка веса одной свиньи на откорме в сутки исчисляется сотнями граммов, а одна и та же свинья выделяет в сутки от 5 до 8 килограммов навоза. Современные свинофермы с десятками тысяч поголовья производят большое количество удобрений.
Удобрения всегда считались ценным удобрением. Но это, так сказать, классическое удобрение, в основном конский или коровий навоз, щедро приправленный подстилочной соломой.
В современных свинокомплексах удобрения совершенно другие. От мусора там не остается и следа — удобрение смывается водой, количество отходов от него увеличивается во много раз, а концентрация сухого вещества — веществ, содержащих удобрительную ценность удобрения, — снижается до нескольких процентов. Масу.
Всю эту огромную массу навоза нужно где-то хранить, хотя бы с осени до весны, когда не вносятся удобрения. Также необходимо хранить удобрения для нейтрализации болезнетворных микроорганизмов, яиц гельминтов и семян сорняков, которые всегда присутствуют в почве. Они начинают расти, как только их вносят в почву. В результате, например, латвийскому госхозу «Ога», имеющему чуть более 20 000 свиней, пришлось спроектировать хранилище удобрений емкостью 80 000 кубометров, пусть и трехэтажное. На пике своего развития он занимал бы один гектар и стоил бы примерно столько же, сколько свиноферма. Кроме того, очень сложно предотвратить попадание таких жидких удобрений в землю, грунтовые воды, реки и т д. И это загрязняет воздух неприятными запахами… В частности, серьезной проблемой в масштабах всей страны стала очистка навозных стоков свиноферм.
Одно из решений этой проблемы предложила одноименная микробиологическая лаборатория. А. Кирхенштейна Академии наук Латвийской ССР. И он не только предложил его, но и внедрил в производство в том же совхозе «Огре», о котором мы упоминали ранее.
ЗАМЕЧАТЕЛЬНОЕ СООБЩЕСТВО
Один микробиологический метод нейтрализации удобрений и других органических остатков известен давно. Это компостирование. Отходы накапливаются, где постепенно разлагаются под воздействием аэробных микроорганизмов. При этом куча нагревается примерно до 60°С и подвергается естественной пастеризации. Большинство патогенных микроорганизмов и яйца гельминтов погибают, а семена сорняков теряют жизнеспособность.
Однако качество удобрения снизится. Теряется до 40% азота, содержащегося в удобрении, и добавляется большое количество фосфора. Энергия также теряется, потому что тепло, выделяемое из глубины горы, тратится впустую. Кстати, в удобрениях содержится почти половина всей энергии, поступающей в ферму вместе с кормами. Отходы свиноферм совершенно непригодны для компостирования, поскольку они слишком жидкие.
Однако возможны и другие методы переработки органических веществ, безвоздушное брожение или анаэробное брожение. Именно такой процесс происходит в естественном биореакторе, находящемся в брюшке каждой коровы, пасущейся на пастбище. В преджелудке коров обитает целое сообщество микроорганизмов. Некоторые расщепляют богатые энергией волокна и другие сложные органические соединения, образуя низкомолекулярные вещества, которые легко усваиваются организмом коровы. Эти соединения действуют как субстраты для других микроорганизмов, которые превращают их в газы, такие как углекислый газ и метан. Одна корова производит до 500 литров метана в сутки. На его долю приходится почти четверть общего производства метана на Земле, от 100 до 200 миллионов тонн в год. – Есть происхождение таких “животных.
Метаногенные бактерии — весьма примечательные существа во многих отношениях. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно уникальный обмен веществ и уникальные ферменты и коферменты, не встречающиеся у других организмов. И биография их особенная – они считаются продуктами особой области эволюции.
Практически это микробное сообщество было адаптировано латвийскими микробиологами для решения проблемы утилизации отходов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компостировании анаэробные бактерии работают медленно, но без ненужных потерь энергии и гораздо более экономичны. Конечный продукт их деятельности – биогаз – содержит 60-70% метана, но является лишь энергетическим концентратом. При сжигании каждый кубометр выделяет столько же тепла, сколько килограмм угля, то есть более чем в два раза больше чем 1 кг дров.
Во всем остальном анаэробное брожение не хуже компостирования. А самое главное, таким образом полностью перерабатываются жидкие удобрения со свинокомплексов. Пройдя через биореактор, эта вонючая жижа превращается в превосходное удобрение.
ЭКОЛОГИЯ ПЛЮС НЕМНОГО ТЕПЛА
Пилотная установка по производству биогаза работает уже четыре года на одной из свиноферм совхоза Уга. Научная основа. Технологию для этого разработали в одноименной микробиологической лаборатории. А. Кирхенштейна, и этот проект был реализован в совхозе. («А у вас есть свое КБ?» — спросил автор В. С. Дубровского, заместителя директора совхоза. «Какое КБ?» — ответил он. «Сижу и рисую (рисовал…») Рядом еще одно импортный ядерный реактор. Он был выпущен в прошлом году. В совхозах заявляют, что они вообще могут обойтись без импорта, так зачем же тратить иностранную валюту на то, что можно сделать самостоятельно?
Оба реактора, каждый объемом 75 кубометров, будут перерабатывать все отходы фермы с 2,5 тысячами свиней и обеспечивать остро необходимыми качественными удобрениями совхозы и поставлять от 300 до 500 кубометров газа в день.
«Для нас дело не в биогазе», — говорит В.С. Дубровский.Ему выгодна экология, а не газ. В противном случае нам пришлось бы строить и хранилища удобрений, и очистные сооружения с большими затратами и большими затратами энергии. Кроме того, совхоз поставляет качественные удобрения, которые, как и свежие удобрения не содержат семян сорняков, которые могут прорастать, что снова снижает использование гербицидов. Выше приведены преимущества: Биогаз можно использовать бесплатно, но в нем нет необходимости.
Поэтому подсчитать экономическую эффективность такой разработки не так-то просто. Обычно рассчитывают только на биогаз. Стоимость ок, бензина получается много, и стоимость соответствующего количества солярки ок. Получается, что в целом прибыль тоже есть, но срок окупаемости не рекордный…
Здесь есть еще один тонкий момент. В отличие от аэробных бактерий, метанферментирующие бактерии сами по себе не выделяют тепла при компостировании и активны только в тепле. Некоторым термофилам для поддержания температуры требуется около 55°C, тогда как другим мезофилам требуется температура около 37°C. Вопрос о том, какой вариант лучше, до сих пор не решен, и даже в микробиологических лабораториях существуют разные мнения. Руководителем этого направления является академик М.Э. Академии наук Латвийской ССР.
Беккер считает, что термофильные процессы более эффективны, а Лаборатория биоинженерных систем, возглавляемая кандидатом технических наук А. А. Упитом, отдает предпочтение мезофильным процессам. Но в любом случае в нашем климате ядерным реакторам приходится отапливать большую часть года. И даже если эта проблема не возникает в жаркой Индии или Китае, где существуют миллионы биогазовых установок, в среднем совхоз Уга тратит на это около половины годового производства биогаза. Это, естественно, ухудшает показатели экономической эффективности, если учитывать только сэкономленное топливо. Но даже в такой ситуации оставшегося биогаза достаточно для удовлетворения трети энергетических потребностей фермы, а именно отопления и горячего водоснабжения.
Конечно, если к энергетическим эффектам добавить экологический эффект и перевести их в рубли, ситуация будет совершенно иной. Но, похоже, никто пока не знает, как это сделать.
В любом случае ясно одно: рабочие совхоза «Оже» очень довольны результатами своего первого эксперимента и планируют расширять свой бизнес. Строительство биогазовой установки планируется начать в этом году на крупной госхозной свиноферме. Это уже не 2500 животных, а 20 000 животных. Ожидается, что оборудование окупит себя через пять-шесть лет, если учитывать только затраты на газ. И не было бы необходимости строить огромные хранилища удобрений, упомянутые в начале статьи.
ОТ ТПФ ДО СЕМЕЙНОГО БИОРЕАКТОРА
Переработка отходов животноводства — лишь одно из многих направлений исследований, проводимых в одноименной микробиологической лаборатории. А. Кирхенштейн. Еще много интересного и полезного автор увидел в своей лаборатории и на ферме, как в совхозе «Ога», так и в колхозе «Узвала», где проходят испытания лабораторных разработок. И я собирался написать обо всем.
Прежде всего, речь идет о разрабатываемом здесь биотехнологическом методе производства кормов. Содержит информацию о простых, проверенных на производстве технологиях, которые можно использовать в любом хозяйстве для получения кормового белка из соков трав с минимальными энергозатратами. А улучшая процесс силоса и сенажа, можно не только сохранить корм, но и обогатить его питательными веществами и исследования в области биоконверсии соломы и других отходов, богатых целлюлозой. В целом мы обсудим все направления, входящие в научно-технологическую программу «Трансформация продуктов фотосинтеза» (сокращенно «ТПФ»), которую наш институт разрабатывает более 10 лет в сотрудничестве со многими научными учреждениями. Целью программы ТПФ является внедрение в агропромышленные комплексы не только отдельных биотехнологических процессов, но и целых биотехнологических систем, что позволит максимально использовать растительное сырье и снизить энергозатраты в сельскохозяйственном производстве,быть экологически чистым и безотходным.
Однако, поскольку автору удалось рассказать о некоторых частях этой программы, отведенное ему место уже подходит к концу. Так что все это придется оставить до следующего раза.
Но мы не можем закончить разговор о биогазе, не упомянув хотя бы вкратце еще одну идею, над которой мы работаем в нашей микробиологической лаборатории. А. Кирхенштейн. Это концепция комплексной системы переработки мусора и энергоснабжения многоквартирных домов, или проще говоря, экологически чистой закрытой экономики, которая не загрязняет окружающую среду отходами и не нуждается в подаче энергии. Электричество или газ. Вся необходимая энергия обеспечивается солнечными коллекторами, тепловыми насосами и, конечно же, биореакторами, в которых очищаются сточные воды и отходы. Правда, до реализации этой идеи еще далеко, но архитектор М. Я. Лиепа уже подготовил несколько вариантов эскизного проекта такого экологически чистого дома – получилось прекрасно.
И один из центральных элементов этой системы, «биореактор семейной фермы», как его неофициально называют в лаборатории, теперь может построить каждый. По просьбе редакции автор идеи, сотрудник Лаборатории биотехнологических систем, рассказывает ниже, как это сделать.
Как построить биореактор
Биогазовая установка может быть создана на любой ферме с использованием местных материалов специалистами самой фермы.
Ферментация удобрений проходит в анаэробных (бескислородных) условиях при температуре 30-55°С (оптимально 40°С). Период ферментации составляет не менее 12 дней, чтобы обеспечить обеззараживание удобрения. Для анаэробной ферментации можно использовать обычные или жидкие удобрения без подсыпки, и их можно легко закачивать в биореактор.
В процессе ферментации азот и фосфор полностью сохраняются в удобрении. Масса удобрений практически не меняется, за исключением того, что испаренная вода превращается в биогаз. 30-40% органических веществ в удобрении разлагается. Наиболее легко разлагаемые соединения, такие как жиры, белки и углеводы, разрушаются, но полностью сохраняются целлюлоза и лигнин — основные компоненты, образующие гумус. За счет высвобождения метана и углекислого газа соотношение C/N оптимизируется. Увеличивается доля аммиачного азота. Реакция полученного органического удобрения щелочная (рН от 7,2 до 7,8), что делает это удобрение особенно ценным для кислых почв. Повышает урожайность на 10-15% по сравнению с удобрением, полученным из обычных удобрений %.
состав (%) получаемого биогаза плотностью 1,2 кг/м3 (плотность воздуха 0,93): метан – 65, углекислый газ – 34, попутные газы – не более 1 (в том числе сероводород – не более 0,1) . Содержание метана варьируется от 55 до 75% в зависимости от состава субстрата и технологии. Содержание влаги в биогазе при 40 °C составляет 50 г/м3. Поскольку биогаз при охлаждении конденсируется, необходимо принять меры по удалению конденсированной воды (осушка газа, прокладка трубопроводов с необходимым уклоном и т д.).
энергоемкость получаемого газа составляет 23 мДж/м3, или 5500 ккал/м3.
ОБОРУДОВАНИЕ
Основное оборудование биогазовой установки — закрытый контейнер с теплообменником (теплоноситель — вода, нагретая до 50-60°С), устройствами для ввода и выгрузки удобрений и устройствами для отвода газов.
Каждая ферма имеет уникальные характеристики, такие как удаление навоза, использование подстилки и обеспечение теплом, поэтому невозможно построить один стандартный биореактор. Конструкция установки в основном определяется местными условиями и наличием материалов.
для небольших установок самым простым решением является использование открытого топливного бака. Схема биореактора на базе стандартного топливного бака объемом 50 м3 представлена на рис. Внутренние перегородки могут быть выполнены из металла или кирпича. Их основная функция – направлять поток удобрений и удлинять его путь в реакторе, образуя систему сообщающихся сосудов. На этой схеме разделы показаны условно. Их количество и расположение зависят от характеристик удобрения, а именно его текучести, количества сора.
Биореакторы из железобетона требуют меньше металла, но более трудоемки в изготовлении. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества навоза, которое зависит как от количества и веса животных, так и от способа их удаления. При смыве навоза без подстилки общий объем сточных вод значительно увеличивается. Это нежелательно, поскольку увеличивает расход энергии на отопление. Если известно количество отходов в сутки, то необходимый объем реактора определяется путем умножения этого количества на 12 (так как 12 дней – это минимальный период хранения удобрений) и увеличения полученного значения на 10 % можно определить по формуле (так как реактор должен быть в необходимом количестве). Подложка заполнена на 90 %).
ориентировочная суточная производительность биореактора при вводе удобрений с содержанием сухого вещества 4-8% составляет 2 объема газа на объем реактора. Биореактор объемом 50 м3 производит 100 м3 биогаза в сутки.
как правило, при переработке навоза без подстилки от 10 коров в сутки можно получить примерно 20 м3, от 10 свиней – 1-3 м3, от 10 овец – 1-1,2 м3, от 10 кроликов – 0,4 м3 биогаза. 0,6 куб.м. Из 1 тонны соломы получается 300 кубометров биогаза, а из 1 тонны бытовых отходов — 130 кубометров :). (Потребности в газе для домов на одну семью, включая отопление и горячую воду, составляют в среднем 10 кубических метров в день, но сильно различаются в зависимости от качества изоляции дома.)
Подложки можно нагревать до 40°C различными способами. Для этой цели удобнее всего использовать газовые водонагреватели АГВ-80 или АГВ-120 с автоматическими устройствами поддержания температуры теплоносителя. Если для питания устройства используется вырабатываемый биогаз (вместо природного газа), подачу воздуха необходимо уменьшить и отрегулировать. Вы также можете использовать электричество в ночное время, чтобы нагреть доску. В этом случае сам биореактор выступает в роли накопителя тепла.
Для уменьшения теплопотерь биореакторы необходимо тщательно изолировать. Здесь возможны различные варианты. В частности, по периметру реактора можно разместить легкий каркас, наполненный стекловатой, или нанести на реактор слой пенополиуретана.
давление газа, образующегося в биореакторе (100-300 мм вод ст.), достаточно для подачи газа на расстояние до нескольких сотен метров без применения газодувок и компрессоров.
При запуске биореактора его следует заполнить на 90% объема субстратом и выдержать не менее 12 суток. Затем в реактор подают новую порцию субстрата для извлечения соответствующего количества продуктов ферментации.
Ориентировочная стоимость материалов и финансирование (при емкости топливного бака 50 м)
- Техническая документация, согласование 50 руб;
- оборудование и материалы;
- Танк 1000 трения.;
- Насос для раздачи фекалий или «какашек». 3-5 куб.м в сутки, 2 шт.;
- (1 – запасной) 200 руб.;
- трубопровод диаметром 80-100 мм 100 руб.;
- Утепление – 1000 руб.;
- Водонагреватель АГВ-80 или АГВ-120 2 шт. – трение 300.;
- Строительно-монтажные работы – 1100 трение.
Итого 3750 руб.
- Непредвиденные расходы (20%) 750 руб.;
- Общая стоимость 4500 руб.;
- Операционные расходы (годовые)
- Электричество на работу насоса (2Х5 кВт, 1 час в день, 1 копейка за 1 кВтч) ~40 трения.
- Профилактический осмотр и обслуживание (1 день в месяц) – до 150 руб.
Итого – 190 руб.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА
Тепло, полученное при сжигании биогаза, можно использовать не только для нагрева воды (отопления, ГВС) и приготовления пищи, но и для обогрева теплиц, а летом при избытке биогаза – для сушки и кормления кормов, например сена. Абсорбционный биогазовый холодильник для охлаждения сельскохозяйственных продуктов, таких как молоко. Биогаз также можно использовать для выработки электроэнергии, но это менее выгодно.
Если несколько мелких ферм или индивидуальных ферм расположены рядом друг с другом, целесообразно организовать централизованную очистку отходов и подавать произведенный биогаз в хозяйства или хозяйства по трубопроводам.
Есть еще одно направление использования биогаза. Здесь используется углекислый газ, которого около 34% содержится в биогазе. Извлекая углекислый газ путем промывания (в отличие от метана, он растворяется в воде), его можно подавать в теплицы, где он действует как «воздушное удобрение» и повышает продуктивность растений.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
биореактор объемом 50 м²! В сутки он производит 100 кубометров биогаза, из которых на долю «товарного» газа приходится в среднем около 70 кубометров* (остальное идет на обогрев реактора), что составляет 25 000 кубометров в год эквивалентно 16,75 куб.м. Общая стоимость жидкого топлива составляет 1105 тонн.
Капитальные вложения в строительство оборудования – 4500 руб. – распределены на 15-летний период эксплуатации, покрывающие эксплуатационные расходы (190 руб в год) и затраты на ремонт (1% стоимости оборудования – 26 руб в год), замену жидкого топлива на биогаз. Экономия составит примерно 590 рублей. Год.
Этот расчет не учитывает предотвращение загрязнения окружающей среды или увеличение урожайности от использования полученных высококачественных удобрений.
ДОКУМЕНТАЦИЯ И СОГЛАСОВАНИЕ
Специалисты фермы (инженеры-механики, подрядные организации, энергетики, электрики) могут подготовить документацию для строительства биореактора за считанные дни. Документация должна включать технические чертежи, планы расположения биореакторов и теплогенераторов, потоки энергии и продуктов, трубопроводы, схемы подключения насосов и осветительных приборов, а также смету затрат. На генеральном плане фермы должны быть показаны основные трубопроводы, подъездные пути и громоотводы. Документация должна быть согласована с газовой инспекцией и пожарной службой.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
При эксплуатации биореактора необходимо соблюдать все действующие нормы и правила эксплуатации установок сжигания природного газа. Биогаз имеет более узкий предел взрываемости, чем природный газ: 6-12% (вместо 5-15%). По данным СН, в документации должна быть предусмотрена вентиляция. 433-79 должны быть предусмотрены помещения объемом не более 300 м (8 воздухообменов в час.
КОНСУЛЬТАЦИИ
Консультации по подготовке технической документации, строительству, пуско-наладке и эксплуатации биогазовых установок, а также другим вопросам, не освещенным здесь полностью, можно получить по адресу 226067 Рига 67, Клейсти, ул. Кирхенштейна, 1, имени Института микробиологии. А. Кирхенштейн, Академия наук Латвийской ССР, Лаборатория биотехнологических систем. Телефон 42-81-04.
Кандидаты технических наук А.А. Юпит, А.В. Кирклин
- Хотите связаться со мной?
