Метод биологической обработки сельскохозяйственных отходов путем микробного синтеза

ВОЙНАШ Сергей Александрович

Новосибирский государственный аграрный университет

Введение.

С#nbsp;проблемой утилизации отходов очень тесно смыкается другая, все более обостряющаяся#nbsp;— охрана окружающей среды, которая также требует интенсивной и#nbsp;рациональной переработки отходов животноводства. Определение показателей, характеризующих эффективность анаэробных технологий, связано со#nbsp;значительными трудностями, поскольку в#nbsp;стране мало действующих биоэнергетических установок (БЭУ), на#nbsp;которых можно было#nbsp;бы провести натурные эксперименты и#nbsp;получить объективные данные.

Исследования и#nbsp;разработки в#nbsp;области утилизации жидкого навоза привели к#nbsp;созданию нового научного направления#nbsp;— комплексной биотрансформации отходов животноводства с#nbsp;получением энергии и#nbsp;кормового белка. Накопленные в#nbsp;нашем институте экспериментальный материал и#nbsp;практический опыт позволили создать интенсивные двухфазные процессы и#nbsp;образцы оборудования для#nbsp;такой переработки навоза. Анализ физических свойств навоза после сбраживания показал, что степень разложения абсолютно сухого беззольного вещества составила 22% при суточной дозе загрузки 4,5%. Влажность навоза и#nbsp;его зольность после сбраживания увеличиваются, что объясняется частичным расходованием сухого вещества на#nbsp;образование биогаза.

На#nbsp;основе экспериментальных данных о#nbsp;выходе биогаза и#nbsp;степени разложения навоза были определены наиболее эффективные дозы среднесуточной загрузки метантенка. Установлено, что максимальное значение этого показателя не#nbsp;должно превышать 4,5 и#nbsp;9% на#nbsp;мезофильном и#nbsp;термофильном режимах соответственно. При увеличении дозы загрузки выход биогаза снижается и#nbsp;процесс протекает нестабильно. Так, в#nbsp;лабораторных условиях удалось снизить экспозицию метанового сбраживания до#nbsp;3 сут. и#nbsp;обеспечить выход белка с#nbsp;1#nbsp;м³ биогаза до#nbsp;300#nbsp;г (по#nbsp;АСВ) при плотности биомассы 25 г/л.

В#nbsp;последние годы значительно возросла заинтересованность к#nbsp;процессам производства биогаза#nbsp;— это проявляется не#nbsp;только в#nbsp;возрастающем количестве планирующихся и#nbsp;строящихся биогазовых установок, но и#nbsp;в#nbsp;заинтересованности все большего числа фермеров, коммунальных хозяйств, предприятий, политиков и#nbsp;частных хозяйств, которые внимательно наблюдают за#nbsp;развитием этого сектора.

Изучение физических и#nbsp;микробиологических показателей навоза, а#nbsp;также их#nbsp;зависимостей от#nbsp;режима и#nbsp;методов обработки позволило проанализировать известные технологические схемы и#nbsp;оборудования для#nbsp;метанового сбраживания органических отходов и#nbsp;получения из#nbsp;него кормовых добавок [3, с. 57; 7, с. 95]. В#nbsp;связи с#nbsp;этим целью работы является обзор оборудования микробного синтеза.

Методика исследований.

На#nbsp;современном этапе основа для#nbsp;производства биогаза в#nbsp;сельском хозяйстве#nbsp;— утилизация отходов растениеводства и#nbsp;навозных стоков животноводческих ферм. Подсчитано, что 1#nbsp;кг твердых отходов (солома, опилки) получается около 0,25#nbsp;м³ биогаза и#nbsp;0,6#nbsp;кг компоста [1, с. 58], а#nbsp;из#nbsp;1#nbsp;кг птичьего помета можно получить биогаз объемной теплотой сгорания свыше 21 МДЖ/м³.

Шлам, остающийся после сбраживания в#nbsp;качестве кормовых добавок или органических удобрений [2, с. 230]. Американские эксперты считают, что энергетический потенциал суточного объема навозных стоков животноводства в#nbsp;США эквивалентен 51 млн. л#nbsp;бензина. Объемная теплота сгорания биогаза составляет в#nbsp;среднем МДж/м³, что соответствует теплоте, получаемый при сгорании 0,6 л#nbsp;жидкого топлива.

Биогаз, состоящий из#nbsp;63−68% метана и#nbsp;32−37% двуокиси углерода, переходит в#nbsp;жидкое состояние при давлении 0,1 МПа и#nbsp;температуре -161,5 °С. В#nbsp;таком виде он#nbsp;занимает минимальный объем, что очень важно при использовании его в#nbsp;технических целях. В#nbsp;хранилище вместимостью 32#nbsp;м² можно поместить сжиженный газ, по#nbsp;своему энергосодержанию эквивалентен 29,5 тыс. м³ биогаза в#nbsp;обычном состоянии или 17,7 тыс. т#nbsp;дизельного топлива.

Подсчитано, что годовая потребность в#nbsp;биогазе для#nbsp;обогрева жилого дома составляет около 45#nbsp;м³ на#nbsp;1#nbsp;м² жилой площади, суточное потребление при подогреве воды для#nbsp;100 голов крупного рогатого скота#nbsp;— 5−6 м³. Потребление биогаза при сушке 1#nbsp;т зерна#nbsp;— 15#nbsp;м³, а#nbsp;для получения 1 кВт·ч электроэнергии необходимо 0,7−0,8#nbsp;м³. Биогазовые установки вырабатывают, кроме электроэнергии, горячую воду для#nbsp;отопления или других технологических нужд. Двигатели таких установок могут работать на#nbsp;смеси 15−20% жидкого топлива и#nbsp;85−80% метана.

Основная трудность использования биогаза в#nbsp;качестве топлива для#nbsp;тракторов#nbsp;— размещение на#nbsp;них газовых баллонов, поскольку их#nbsp;объем должен быть примерно в#nbsp;5 раз больше объема бака с#nbsp;дизельным топливом. Считается целесообразным устанавливать на#nbsp;тракторы баллоны с#nbsp;биогазом (по#nbsp;40 л) следующим образом: четыре располагать по#nbsp;два с#nbsp;каждой стороны, а#nbsp;пятой#nbsp;— под сиденьем водителя.

Такое количество биогаза обеспечивает работу трактора при полной нагрузке в#nbsp;течение 3,5 или 7 ч#nbsp;при 40%-й загрузке. Биогаз благодаря высоким антидетонационным свойствам может служить отличным топливом для#nbsp;двигателей внутреннего сгорания с#nbsp;принудительным зажиганием, а#nbsp;также для#nbsp;дизелей, не#nbsp;требуя их#nbsp;дополнительного переоборудования (проводятся лишь регулировки системы питания). Чтобы улучшить отвод тепла от#nbsp;корпусов форсунок, на#nbsp;их#nbsp;концах напрессовывают медные гильзы.

При сравнительных испытаниях удельный расход дизельного топлива составлял 220 г/кВт·ч при номинальной мощности, а#nbsp;биогаза#nbsp;— 0,4#nbsp;м³/(кВт·ч), при этом требовалось около 30 г/(кВт·ч) «пускового» топлива (дизельного топлива, используемого в#nbsp;качестве «запала» для#nbsp;биогаза).

В#nbsp;результате экономия дизельного топлива составила 86%. При 40%-й загрузке двигателя и#nbsp;частоте вращения его коленчатого вала 1400 мин-1 (средний уровень загрузки тракторов в#nbsp;Швейцарии) расход дизельного топлива равен 250 г/(кВт·ч), при использовании биогаза#nbsp;— 80 г/(кВт·ч) плюс расход газа 0,6#nbsp;м³/(кВт·ч), что соответствует почти 70%-ной экономии дизельного топлива.

Анаэробное метановое сбраживание навоза позволяет получать биогаз, ценное органическое удобрение с#nbsp;повышенной биологической активностью либо белково-витаминные концентраты для#nbsp;обогащения ими кормов [2, с. 231; 4, с. 123]. Такая переработка навоза#nbsp;— действенное природоохранное мероприятие, обеспечивающее его дезодорацию, снижение загрязнения почвы и#nbsp;воды вредными веществами и#nbsp;патогенной микрофлорой, выбросами в#nbsp;атмосферу (благодаря вытеснению биогазом традиционного органического топлива).

В#nbsp;мировой практике имеется большой опыт создания биогазовых установок [3, с. 58]. Есть действующие установки в#nbsp;нашей стране, некоторые из#nbsp;них строятся.

В#nbsp;результате анализа экономических характеристик действующих биогазовых установок определено, что их#nbsp;удельные показатели (стоимость 1#nbsp;м³ объема реактора, 1#nbsp;т биогаза) неодинаковы, а#nbsp;главное, они во#nbsp;много раз выше таких показателей для#nbsp;типовых установок, применяемых в#nbsp;системах очистки городских сточных вод. Причины этого, видимо, заключается в#nbsp;том, что биогазовые установки строят как пионерные, на#nbsp;их#nbsp;счет относят стоимость исследовательских работ, привлекают иностранные проектные организации и#nbsp;др.

Большую часть биогазовых установок строят со#nbsp;стальными реакторами. В#nbsp;типовых, разработанных для#nbsp;систем очистки сточных вод, предусмотрены железобетонные. Реакторы#nbsp;— наиболее дорогая часть биогазовой установки. Годовые затраты на#nbsp;него складываются из#nbsp;капитальных вложений и#nbsp;эксплуатационных расходов на#nbsp;компенсацию теплопотерь для#nbsp;поддержания необходимой температуры биомассы (35 °С для#nbsp;мезофильного и#nbsp;55#nbsp;°C для#nbsp;термофильного режимов).

Наиболее распространены такие схемы установок, в#nbsp;которых необходимый термический режим обеспечивается путем использования части получаемого в#nbsp;них биогаза. Для#nbsp;подогрева биомассы расходуется свыше 30% всего газа [7, с. 96]; в#nbsp;установке, планируемой как серийная, доля газа, используемого на#nbsp;собственные нужды, составляет 50% [8, с. 17]. В#nbsp;некоторых работах [9, с. 86] этот показатель установлен в#nbsp;диапазоне 30−70%. Здесь предлагается снизить затраты газа на#nbsp;подогрев биомассы переводом установки в#nbsp;холодные месяцы в#nbsp;режим накопления навоза без выдачи газа.

В#nbsp;силу этого навоз затрудняет нормальное и#nbsp;безопасное функционирование животноводческих ферм, находящихся непосредственно в#nbsp;населённых пунктах. Отсутствие технологий по#nbsp;переработке навоза приводит к#nbsp;многолетним накоплениям навоза около ферм, расположенных рядом с#nbsp;естественными водоемами, что влечет за#nbsp;собой их#nbsp;сильное загрязнение. Так, из-за попадания в#nbsp;озера биогенных элементов содержание нитратов, нитритов, аммония и#nbsp;фосфатов превышает допустимые нормы. В#nbsp;некоторых озерах Заречной группы районов Республики Саха (Якутия) отмечено превышение ПДК нитратов в#nbsp;110−120 раз, фосфатов#nbsp;— в#nbsp;70−80 раз. В#nbsp;сельской местности население потребляет воду из#nbsp;этих водоемов без какой-либо очистки. Все это не#nbsp;оставляет сомнений в#nbsp;том, что навоз выступает опасным фактором передачи возбудителей инфекционных и#nbsp;инвазионных болезней человеку и#nbsp;животным, источником заражения пастбищ и#nbsp;водоёмов.

В#nbsp;серьезной научно-теоретической проработке и#nbsp;обобщении нуждаются также вопросы интенсификации процессов биосинтеза белка из#nbsp;биогаза применительно к#nbsp;малотоннажным установкам сельскохозяйственного назначения, реализующим процессы биосинтеза при нормальном атмосферном давлении. Решение этих проблем позволит прежде всего значительно повысить производительность оборудования без увеличения объема реактора, ограниченного возможностью его транспортирования, а#nbsp;также перейти к#nbsp;разработке высокопроизводительных биореакторов большого объема [5,с.43; 6, с. 138]. В#nbsp;этом случае можно обеспечить эффективное использование биогазовых установок на#nbsp;животноводческих фермах и#nbsp;комплексах, сохранение блочно-модульного принципа построения комплектов оборудования.

На#nbsp;рисунке приведена схема биоэнергетической установки.

Применяемые в данное время анаэробные технологии переработки навоза КРС требуют обязательной адаптации для рентабельного внедрения в Якутии ввиду наличия ряда существенных технических и технологических недостатков. Одним из основных факторов оптимального течения микробиологических процессов в метантенках является время пребывания микроорганизмов в среде (время удерживания).

Для эффективного разложения сложных органических веществ до СH₄ и СO₂ необходимо: иметь достаточное количество микроорганизмов в субстрате; обеспечить им требуемое время пребывания в среде для достижения метаболизма субстрата; исключить вымывание бактерий.

Результаты исследований.

В таблице приведены данные культивирования в оборудовании.

При исследовании процесса абсорбции кислорода в питательной среде различной вязкости для расчета газосодержания принято уравнение:

где D – диаметр аппарата.
Для расчета Wж рекомендуется использовать уравнение Бернулли, преобразованное для циркуляционного контура, следующего вида:

На данный момент в процессе производства кормового белка при культивировании микроорганизмов в культуральной жидкости происходит ряд реакций в ферментационной жидкости с кислородом. Рядом авторов [10, с. 250] для реакций с кислородом жидкостей, получивших широкое распространение в промышленности, для расчета Wж рекомендуется зависимость:

Данный расчет выполняется методом приближений по одному из выбранных уравнений, которые подходят для определений газосодержания в культуральной среде. При давлении до 4 МПа на среде со свойствами, близкими к свойствам системы «вода-воздух», и соотношении барботажных и циркуляционных зон, приближенным к значению приведенной скорости жидкости, автором предлагается рассчитать Wж по упрощенному уравнению:

На поверхности раздела газ – жидкость воздушного пузырька образуются воздушные пленки. Они проходят через культуру, затрудняют диффузию кислорода по объему ферментатора и снижают образовавшееся сопротивление.

Исследованию процессов абсорбции кислорода в ферментаторах посвящен ряд работ [1,с.59; 6, с. 139].

Если рассматривать данный случай при плохо растворимом газе (кислород), значения mpc и Kr велики, и диффузионным сопротивлением в газовой фазе можно пренебречь, и соблюдается неравенство:

Откуда следует:

Устойчивость и#nbsp;эффективность применяемых численных методов позволяют выполнить дальнейшую модификацию технологии расчета, включая подбор моделей турбулентности, с#nbsp;целью повышения точности расчетов.

Эксплуатация биогазовых установок дает как прямой экономический эффект (дешевое топливо), так и#nbsp;дополнительный. Под последним понимают в#nbsp;первую очередь повышение ценности органических удобрений, получаемых после сбраживания. Элементы питания растений К₂О и Р₂О₅ в#nbsp;процессе брожения остаются неизменными как по#nbsp;количеству, так и#nbsp;по#nbsp;формам соединений, в#nbsp;которых они находятся. Исходное количество азота также не#nbsp;меняется, однако он#nbsp;переходит в#nbsp;другие соединения. Если в#nbsp;навозной жиже азот входит в#nbsp;основном в#nbsp;органические соединения, то#nbsp;в#nbsp;осадке (шламе) он#nbsp;содержится главным образом в#nbsp;производных аммиака.

При этом интенсивность преобразования органических форм азота в#nbsp;аммиачные зависит от#nbsp;продолжительности процесса брожения. Аммиачные формы быстрее усваиваются растениями, чем органические. Это повышает эффективность внесения шлама под зерновые культуры.

При удобрении навозной жижей и#nbsp;шламом зеленых угодий и#nbsp;многолетних трав разница в#nbsp;эффективности несколько уменьшается, хотя при применении шлама на#nbsp;многолетних пастбищах рост трав заметно ускоряется. С#nbsp;преобразованием органических форм азота в#nbsp;аммиачные существенно улучшаются физические свойства шлама#nbsp;— он#nbsp;становится менее вязким, легче гомогенизируется и#nbsp;перекачивается, а#nbsp;при разбрызгивании быстрее стекает с#nbsp;растений, что уменьшает (при высоких значениях рН) возможность ожога. В#nbsp;процессе брожения уничтожаются также яйца и#nbsp;личинки паразитов, некоторые виды бактерий и#nbsp;семена сорняков.

Заключение.

Таким образом, метановое сбраживание навоза в сочетании с переработкой выделяющегося при этом биогаза в кормовой белок на основе управляемого микробного синтеза – новый производственный процесс, обеспечивающий получение, как энергии, так и кормовых добавок.

Эта технология позволяет реализовать на животноводческом предприятии ускоренный цикл биоконверсии веществ параллельно традиционному пути их регенерации в растениеводстве, что обеспечивает реальные возможности создания животноводческих комплексов в виде безотходных производств, удовлетворяющих всем требованиям экономики и охраны окружающей среды.

Анализ физических свойств навоза после сбраживания показал, что степень разложения абсолютно сухого беззольного вещества составила 22 % при суточной дозе загрузки 4,5 %. Влажность навоза и его зольность после сбраживания увеличиваются, что объясняется частичным расходованием сухого вещества на образование биогаза.

На основе экспериментальных данных о выходе биогаза и степени разложения навоза были определены наиболее эффективные дозы среднесуточной загрузки метантенка. Установлено, что максимальное значение этого показателя не должно превышать 4,5 и 9 % на мезофильном и термофильном режимах соответственно. При увеличении дозы загрузки выход биогаза снижается и процесс протекает нестабильно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Друзьянова#nbsp;В.#nbsp;П., Оконешников#nbsp;О.#nbsp;А. / Выбор изоляционного материала для#nbsp;биогазовой установки по#nbsp;переработке навоза КРС // Научное обеспечение реализации национального проекта в#nbsp;сельском хозяйстве: материалы науч.-практ. конф. —#nbsp;Улан-Удэ, 2010. —#nbsp;С. 58−60.

2. Друзьянова#nbsp;В.#nbsp;П., Осипов#nbsp;Д.#nbsp;С., Семенов#nbsp;Я.#nbsp;С. / К#nbsp;переработке и#nbsp;утилизации органических отходов сельского хозяйства // Химия по#nbsp;знаком Сигма: исследования, инновации, технологии: материалы Всерос. науч. молодеж. шк.-конф. —#nbsp;Омск, 2010. —#nbsp;С. 230−231.

3. Друзьянова#nbsp;В.#nbsp;П., Кобякова#nbsp;Е.#nbsp;Н. / Биогазовая установка для#nbsp;переработки отходов частных животноводческих хозяйств применительно к#nbsp;условиям Республики Саха (Якутия) // Наука и#nbsp;образование в#nbsp;XXI веке: сб. науч. тр. по#nbsp;материалам Междунар. науч.-практ. конф., 31 окт. 2014#nbsp;г.: в#nbsp;17 ч. Тамбов, 2014. —#nbsp;Ч. 17. —#nbsp;С. 57−61.

4. Кокиева#nbsp;Г.#nbsp;Е. / Исследование аппарата для#nbsp;культивирования микроорганизмов // Научно-технический вестник Поволжья. —#nbsp;2014. —#nbsp;№ 4. —#nbsp;С. 123−125.

5. Кокиева#nbsp;Г.#nbsp;Е. / Кормовые дрожжи как биологически активная добавка в#nbsp;кормлении сельскохозяйственных животных // Пищевые технологии, качество и#nbsp;безопасность продуктов: материалы регион. науч.-практ. конф. —#nbsp;Иркутск: Изд-во ИТУ, 2006. —#nbsp;С. 42−47.

6. Кокиева#nbsp;Г.#nbsp;Е. / Анализ технологии измерения рабочих поверхностей при дефектации аппаратов для#nbsp;культивирования микроорганизмов // Научно-технический вестник Поволжья. —#nbsp;2014. —#nbsp;№ 3. —#nbsp;С. 137−139.

7. Шагдыров#nbsp;И.#nbsp;Б., Кокиева#nbsp;Г.#nbsp;Е. / Исследование дрожжевания кормового белка в#nbsp;оборудовании пищевой промышленности // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им.#nbsp;В. Р. Филиппо- ва. —#nbsp;2016. —#nbsp;№ 2. —#nbsp;С. 95−100.

8. Шарифуллин#nbsp;В.#nbsp;Н., Бояринов#nbsp;А.#nbsp;И., Гумеров#nbsp;А.#nbsp;М. / Связь перемешивания и#nbsp;массопередачи на#nbsp;примере барботажно-эрлифтного аппарата // Массообменные процессы и#nbsp;аппараты химической технологии. —#nbsp;Казань. 1980. —#nbsp;С. 17−18.

9. Шебатин#nbsp;В.#nbsp;Г., Доманский#nbsp;И.#nbsp;В. / Эрлифтное транспортирование жидкостей и#nbsp;суспензий // ЖРХ. —#nbsp;1977. —#nbsp;№ 4. —#nbsp;С. 86−87.

10. Черноруцкий#nbsp;И.#nbsp;Г. / Методы оптимизации в#nbsp;теории управления: учеб. пособие. // СПб.: Питер, 2004. —#nbsp;256 с.

Voinash Sergey Aleksandrovich

Novosibirsk State Agrarian University

Keywords: livestock farms, litter manure, processing and disposal of manure, complex utilization, microbial synthesis, liquid manure, methane fermentation, microbiological indicators, technological scheme, equipment for microbial synthesis, anaerobic method.

Abroad, great attention is paid to fuel economy through the use of biogas as a source of energy derived from biomass and organic agricultural waste. Traditional methods of storage and use of litter manure are unacceptable for diluted, whose share in the structure of organic waste of livestock farms and complexes is constantly growing. This necessitates the search for processing methods that would ensure the comprehensive utilization of its agricultural, energy, feed and other properties.

The article presents the technology for processing the utilization of manure by microbial synthesis. Another problem, which is becoming increasingly acute, is environmental protection, which also requires intensive and rational processing of animal waste. Thus, methane digestion of manure in combination with the processing of biogas released into feed protein based on controlled microbial synthesis is a new production process that provides both energy and feed additives.

This technology makes it possible to implement an accelerated cycle of bioconversion of substances at a livestock enterprise parallel to the traditional path of their regeneration in crop production, which provides real opportunities for creating livestock complexes in the form of waste- free production that meets all the requirements of the economy and environmental protection.