Технологія метанового зброджування гнойової біомаси

Максимальний вихід біогазу на стадії найбільш інтенсивного мета-ногенезу залежить від хімічного складу біомаси, який визначається видом тварин і відповідно раціоном, який вони одержують.

Із 1 кг сухої речовини гнойової біомаси, внесеної в реактор біогазової установки, теоретично можна одержати в середньому 0,4-0,6 м³ біогазу. Враховуючи те, що лише 40-50% сухої речовини гною у процесі метано-генезу трансформується в біогаз, реальний вихід біогазу із 1 кг сухої речовини гною великої рогатої худоби становить у середньому 0,2-0,5 м³, а з еквівалентної маси свинячого гною - 0,3-0,7 м³ (реактор працює на ме-зофільному режимі). Із біомаси курячого посліду біогазу виходить більше, ніж із гною великої рогатої худоби або свиней (таблиця 11).

При ферментації екскрементів від однієї тварини можна отримати біогазу в середньому за добу: великої рогатої худоби (жива маса 500-600 кг) 1,5 м³, свині (жива маса 80-100 кг) 0,2 м³, курки або кроля -0,015 м³.

Крім кількості сухої речовини, суттєвим параметром, який впливає на вихід біогазу, є вміст та склад органічної речовини, особливо кількість жирів, білків, вуглеводів.

Таблиця 11.

Вихід біогазу (метану) при анаеробному зародженні сільськогосподарських відходів.

Відходи	Вихід біогазу на 1 кг сухої органічної речовини, м3	Вміст СН4, %
Гній: великої рогатої худоби свиней коней Курячий послід	0,380 0,580 0,250 0,630	55,0 77,0 60,0 79,2

Вуглеводи, як правило, знаходяться у формі поліцукрів і тому вимагають більш тривалої ферментації. Помітно знижується утворення біогазу в присутності лігніну, тому що він в процесі метанового бродіння практично не розкладається.

Співвідношення кількості біогазу, який може бути виділений із органічної речовини гнойової біомаси дійних корів (Д), відгодівельних бичків (Б), свиней (С) і курей (К) в процесі метанового бродіння при мезофільній температурі орієнтовно може бути таким: Д:Б:С:К = 5:7:8:10.

Добовий вихід біогазу розраховується за формулами з врахуванням вмісту в гнойовій біомасі сухої (ф. 19) або органічної (ф.20) речовин:

V_Г=

де: V_Г - добовий або річний вихід біогазу, м ; Р_а.с.р. - добова або річна кількість сухої речовини, т (кг); Z - стан розкладання органічної речовини, % (30); К - коефіцієнт роз чинності біогазу (1,1-1,5); v - питома вага біогазу (при вмісті за об'ємом: метану 65 % та діоксиду вуглецю 35 % -дорівнює 0,00117 т/м³ або 1,17 кг/м³).

V_Г==675072,26 м³

V_Г= Р_а.с.р*К_*р

де: V_Г - добовий або річний вихід біогазу, м ; Р_а.с.р. - добова або річна кількість сухої речовини, кг; р - вихід біогазу з 1 кг органічної речовини: гній врх - 0,2-0,5 м³;

гній свиней -- 0,3-0,6 м³;

послід курей - 0,5-0,7 м³;

К - коефіцієнт зброджування органічної речовини (0,3).

V_Г=2896,06_*0,3_*0,2=173,76 м³

Визначення виходу залишкової продукції.

Після зброджування гнойової біомаси і одержання біогазу залишається тверда фракція гною (шлам) і надосадова рідина (рідка фракція). Кількість твердої і рідкої фракції залежить як від вологості гною, який завантажується, так і вологості фракцій, які одержуємо (твердої і рідкої).

В середньому з 1 кг органічної речовини, біологічно розкладеної на 70 %, можна одержати 0,5 кг біогазу, 0,2 кг води і 0,3 кг нерозщепленого залишку шламу.

Поділ біомаси після зброджування в реакторі на тверду і рідку фракції можна проводити з допомогою сепаратора (центрифуги) або віброгрохота.

Вихід твердої фракції (шламу).

Тверда фракція гною містить значну кількість поживних речовин і може використовуватись як цінне знешкоджене органічне добриво або кормові добавки.

Анаеробна ферментація гнойової біомаси супроводжується зменшенням у шламі майже на 50 % сухої органічної речовини порівняно з вихідним гноєм за рахунок включення 10--15 % вуглецю субстрату у мікробіальну масу, а також у такі компоненти біогазу, як метан і діоксид вуглецю.

Склад шламу залежить від хімічного складу вихідної сировини, а також параметрів процесу біометаногенезу.

При зброджуванні гною в ньому зберігаються необхідні для рослин біогенні елементи (N, Р, К) і поживні речовини знаходяться в більш доступній формі, що забезпечує підвищену біологічну активність шламу як органічного добрива. Крім того, шлам містить значну кількість білків і вітаміну В₁₂, за рахунок чого його можна використовувати як білково-вітамінну кормову добавку.

Річний вихід твердої фракції визначається за формулою:

М_ш.річн.=Q_{г річн.*}

де: М_{ш річн.}- річна маса шламу, т; Q_{г річн} - річний вихід гною, т; Wg - вологість рідкої фракції, % (98-99); W_Г - вологість гною, що завантажується, % (88-92); W_Ш - вологість шламу, % (87).

М_ш.річн.=12066,9_*=10860,21 т

Відносний вихід шламу:

М_ш.річн.=

М_ш.річн.==90 т

Добовий вихід шламу визначається за формулою:

М_ш.доб.=

М_ш.доб.==29,7 т

Вихід рідкої фракції

Рідка фракція містить у середньому: сухої речовини - 1,0-5,0; органічної речовини - 0,25-4,2; фосфору - 0,05-0,7; азоту - 0,31 1,14; рН рідкої фракції - 6,5-8,3.

Рідка фракція після анаеробної переробки гною відповідає вимогам, які пред'являються органами охорони природи до якості стічних вод.

Оскільки вона містить значну кількість поживних речовин, то може використовуватись як рідке органічне добриво, а також може бути субстратом для вирощування гідробіонтів (мікроводоростей) і частіше спіруліни (синє-зеленої водорості), яка в свою чергу, є цінною білковою і вітамінно-мікромінеральною кормовою добавкою до раціонів сільськогосподарських тварин, а також сировиною для фармацевтичної промисловості.

Річний вихід рідкої фракції визначається за формулою:

М_g.річн.=Q_{г річн.*}

де М_g.річн. - річна маса рідкої фракції, т.

М_g.річн.=12066.9_*=1086.02 т

Відносна кількість рідкої фракції:

М_g.річн.=

М_g.річн.==13104906 %

Добовий вихід рідкої фракції визначається за формулою:

М_g.доб.=

М_g.доб.==2.98 т

Визначення виходу товарного біогазу.

Товарний біогаз - це частка біогазу від загальної кількості біогазу, який отримують а процесі анаеробного бродіння, з якого можна одержати теплову або електроенергію, або замінити біогазом природні носії енергії (природний газ, нафту, дизпаливо, бензин тощо). Частина отриманого біогазу використовується для підігрівання біомаси, що зброджується.

Вихід товарного біогазу залежить від кількості біогазу, який використовується для підігрівання зброджувальної біомаси та витрат теплової енергії при анаеробному бродінні, які у свою чергу залежать від природно-кліматичних умов, розміщення господарства, режиму роботи, складу і конструкційних особливостей БГУ.

Визначення теплової енергії, необхідної для підігрівання біомаси.

_бгу=С_* Q_{г річн*}

де:_бгу- теплова енергія, необхідна для підігріву гною до температури бродіння, МДж; Q_{г річн} - річна кількість гною, яка виходить з ферми, кг; - різниця температури зброджування і температури вихідного гною (t _{збр -}- t _гною), °С; С - питома теплоємність рідкого гною(4,19).

_бгу=4,19_*12066,9_*20=1011206,2 МДж

t _збр залежить від режиму роботи БГУ, а t° вихідного гною складає у теплий період року (245 діб) в середньому +20°С; в холодний - +10°С (120 діб).

Цей показник визначається спочатку окремо для теплого і холодного періоду року за формулами:

_{бгу тепл.період}=С_*(Q_{г доб.*}245)_*

_{бгу тепл.період}=4,19_*(26,06_*245)_*20=535037,86 МДж

_{бгу хол.період}=С_*(Q_{г доб.*}120)_*

_{бгу хол.період}=4,19_*(26,06_*120)_*20=262059,36 МДж

_{бгу річн.}= _{бгу тепл.період}+_{бгу хол.період}

_{бгу річн.}=535037,86+262059,36=797097,22

Визначення кількості біогазу, необхідного для підігріву біомаси.

Q_бр=

де: Q_бр- кількість необхідного для підігріву біомаси біогазу, м³ ; g - чиста теплотворна здатність біогазу (g=22).

Q_бр==45963,92 м³

Частка біогазу, необхідного для підігріву гною.

_н=

де: Q_бг - необхідна кількість біогазу для підігріву біомаси, м³; V_г.річн.- річний вихід біогазу, м³.

_н==0,068

Максимально-теоретичний коефіцієнт виходу товарного біогазу.

К_тб=1-_н

де К_тб- коефіцієнт виходу товарного біогазу

К_тб=1-0,068=0,9

Визначення виходу товарного біогазу:

V_тг= V_{г.річн.*}К_тб

V_тг=675072,26_*0,9=607565,03

Визначення коефіцієнта ефективності БГУ

Коефіцієнт ефективності характеризує енергетичний і техніко-технологічний рівень БГУ.

К_еф.=

де Q_{бгу повн.}- повна теплова енергія, яка виробляється БГ'У, МДж; Визначається таким чином: V_{г. річн *} 22 МДж; Е_Бгу - теплова енергія, не обхід-

на для підігріву гною до температури бродіння, МДж.

К_еф.==2,49

Визначення рентабельності біогазового виробництва.

Ренгабельність біогазового виробництва визначається значною мірою конструктивними характеристиками БГУ, а також оптимізацією параметрів технологічного процесу з урахуванням конкретних природно-кліматичиих. і технолого-економічних передумов виробництва біогазу безпосередньо у господарстві (на фермі або тваринницькому підприємстві).

Рентабельність визначається за технологічними і економічними показниками.

До технологічних показників відносяться: V_г - обсяг газогенерації (річний та добовий) та вихід біогазу на 1 гол., 1 кг сухої та органічної речовини, 1 кг гнойової біомаси і 1 м³ корисної площі реактора.

V_{г доб/гол.}==0,6 м³

V_{г річн/гол}==2143,09 м³

V_{г доб/Ра.с.р..}==0,32 м³

V_{г річн/Ра.с.р.}==3,38 м³

V_{г доб/О.р..}==0,39 м³

V_{г річн/О р.}==4237,74 м³

V_{г доб/Р б.}==0,05 м³

V_{г річн/Р б.}==0,54 м³

V_{г доб/КПР.}==3,21 м³

V_{г річн/КПР.}==12478,23 м³

Економічна оцінка визначається можливістю одержати з біогазу певну кількість теплової та електроенергії і заміни біогазом природних носіїв енергії.

При проведенні розрахунків необхідно врахувати енергетичні еквіваленти біогазу:

- теплотворна здатність 1 м³ біогазу складає 20-22 МДж;

Т_зд=173,76_*20=3475,2 МДж

Т_зд=675072,26_*20=13501445 МДж

- енергетична цінність 1 м³ біогазу:

- 1 м³ біогазу дає можливість виробити 1,6 - 2,3 квт/год. електроенергії;

Е_доб=173,76_*1,6=278,016 квт/год.

Е_річн=675072,26_*1,6=1080115,6 квт/год.

- 1м³ біогазу еквівалентний енергії, яка міститься в:

0,65 м³ природного газу

Екв Е_доб=173,76_*0,65=112,9 м³

Екв Е_річн=675072,26_*0,65=438796,9 м³

0,7 л нафти

Екв Е_доб=173,76_*0,7=121,6 л

Екв Е_річн=675072,26_*0,7=472550,6 л

0,65 л дизпального

Екв Е_доб=173,76_*0,65=112,9 л

Екв Е_річн=675072,26_*0,65=438796,9 л

0,64 л бензину

Екв Е_доб= 173,76_*0,64=111,2 л

Екв Е_річн=675072,26_*0,64=432046,2 л

0,6 л керосину

Екв Е_доб= 173,76_*0,6=104,3 л

Екв Е_річн=675072,26_*0,6=405043,3 л

3,5 кг дров

Екв Е_доб= 173,76_*3,5=608,2 кг

Екв Е_річн=675072,26_*3,5=2362752,9 кг

1,5 кг кам'яного вугілля

Екв Е_доб= 173,76_*1,5=260,6 кг

Екв Е_річн=675072,26_*1,5=1012608,3 кг

Найбільш рентабельним є виробництво із біогазу електроенергії (загальний ККД з урахуванням тепла, яке утворюється при виробництві електроенергії, досягає 80-85%, а безпосередньо в електроенергію перетворюється 33% хімічної енергії біометану).

4. ОХОРОНА ПРАЦІ

Заходи щодо забеспечення безпеки при одержанні і використанні біогазу.

При експлуатації обладнання для отримання біогазу і його використання необхідно враховувати вибухонебезпечність метану. Небезпека вибуху виникає при змішуванні метану з повітрям у співвідношенні від 5 до 15% за об'ємом. У зв'язку з цим на установці для отримання метану і в оточувальній її зоні необхідно суворо дотримуватись заходів безпеки, необхідних для попередження пожежі і вибуху.

Перелік заходів безпеки включає:

Ємності для газу необхідно розміщувати на достатній відстані від житлових будинків, складів і громадських доріг. Мінімально допустимі такі відстані: від будинків з м'якою покрівлею - 10 м; від будинків з твердою покрівлею- 5 м.

Забороняється паління і розпалювання вогню поблизу газових резервуарів (в радіусі 10 м). Встановлюються спеціальні таблички з відповідними надписами.

Регулярно перевіряють рівень води в резервуарі газгольдера дзвіноподібного типу і рухливість самого ковпака. Зимою необхідно попереджувати утворення крижаної кірки. Ремонт резервуарів і трубопроводів повинні проводити тільки спеціалісти (організація виготовлювач обладнання), що особливо важливо для усіх робіт, які виконуються з відкритим полум'ям і зварюванням на газгольдері і трубопроводах.

4 Попередження виходу метану і змішування його з повітрям в обмеженому просторі включає в себе забезпеченість герметичності газопровідних ліній і вентиляцію редукційних клапанів з відводом повітря назовні,

Видалення повітря із газопровідних ліній шляхом пропускання по них газу до його використання.

Установка вогнегасників на газопровідних лініях, які проходять поблизу газоспалювальних установок.

Забезпечення відповідних вентиляцій в зоні газопровідних ліній.

Обладнання вентиляційного отвору під стелею приміщення для виходу назовні газу, щільність якого менша щільності повітря.

Укладання газопровідних ліній з позитивним або зворотним нахилом, з обладнанням на нижньому кінці лінії водовідокремлювача (біогаз містить водяну пару).

10. Захист газопровідних ліній і особливо водовідокремлювачів і вогнегасників від замерзання, оскільки це може перервати подачу газу, пошкодити газопровідну лінію і привести до значного збільшення тиску в метантенку або газгольдері, розрахованому на низький тиск.

Видалення всіх потенційних джерел іскроутворення із зони БГУ і газопровідних ліній.

Установка вогнегасника у місці збереження газу,

Резервуари для зберігання газу, що призначаються для зарядки балонів, повинні бути розраховані натиск 170 кг/см² [8,13].

На основі проведеного аналізу можна зробити висновок, що стан охорони праці в умовах СТОВ „Пологівське” є задовільним.

ВИСНОВКИ

Найбільш ефективним і перспективним біологічним методом утилізації відходів тваринництва є метод метанового зброджування. Метанове зброджування - це складний анаеробний процес (без доступу повітря), який відбувається внаслідок життєдіяльності мікроорганізмів і супроводиться рядом біохімічних реакцій.

Отже запропонований метод утилізації гною на господарстві СТОВ „Пологівське” дають змогу вирішити цілий ряд не тільки економічних проблем, а й екологічних та санітарно-епідеміологічних проблем, що виникають в наслідок накопичення великої кількості відходів тваринництва.

Біогазове виробництво є однією з не багатьох безвідходних технологій, які виконують активну природоохоронну і ресурсозберігаючу функцію, адже воно не лише не призводить до утворення будь яких відходів, а і утилізує відходи сільськогосподарського, спирто-харчового та інших виробництв. І разом з тим, частково дозволяє вирішувати проблему збереження енергоносіїв. В умовах господарства СТОВ „Пологівське” дана технолгія дає змогу отримувати понад 675000 м³ товарного біогазу, що еквівалентно 438795 л дизпалива. А в умовах всезростаючих цін на паливомастильні матеріали це може стати серйозним економічним стимулом розвитку господарства.

Пропозиції

1. Господарству СТОВ „Пологівське” пропоную встановити БГУ мезофільного типу роботи.

2. Бажано замовити біогазову установку з можливістю переобладнання її для термофільного режиму роботи, що дасть змогу до 30% збільшити пропускну здатність реактора за умов збільшення поголів'я тварин.

3. В комплексі з біогазовою установкою змонтувати генератор переобладнаний для роботи на біогазі, таким чином ми отримаємо вже біоенергетичну установку.

4. Рекомендую шлам, який утворився в процесі метаногенезу використовувати як субстрат для вермикультивування, а рідку фракцію - фугат - для культивування мікроводорості спіруліни.

5. Допомагати іншим господарствам з вирішенням проблем з електроенергією, пальним та органічними добривами.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Білявський Г.О., Падун М.М., Фурдуй Р.С. Основи загальної екології. - К.: Либідь, 1995.-308 с.

2. Білявський Г.О., Фурдуй Р.С. Практикум із загальної екології. - К: Либідь, 1997.-160 с.

3. Білявський Г.О., Фурдуй Р.С., Костіков І.Ю. Основи екологічних знань. - К: Либідь, 2000 - С 180-186.

4. Герасименко В.Г. Біотехнологічний словник. - К: „Вища школа”, 1991. - 167 с.

5. Герасименко В.Г. Біотехнологія - К: „Вища школа” 1991

6. Городний Н.М., Мельник И.А., Гіовхан М.Ф. и др. Биоконверсия органических отходов в биодимамическом хозяйстве. - К.: Урожай, 1990. - 256 с.

7. Екологічні основи безвідходних технологій: Методичні вказівки та робочий зошит до виконання лабораторно-практичних робіт для студентів зі спеціальності 7.070.801 - екологія та ожорона навколишнього природного середовища / В.Г. Герасименко, С.В. Мерзлов та ін. - Біла Церква, 2006.36 с.

8. Желібо С.П., Заверуха Н.М., Зацарний В.В.Безпека життєдіяльності. - К.: “Каравела”, 2003.- с. 243-244.

9. Злобін Ю.А. Основи екології. - К.: Лібра, 1998.- 248с.

10. Кормильцын В.И., Цицкашвили М.С., Яламов Ю.И. Основи екологии. - М.: Изд-во МГУ, 1997. С 310-311.

11. Корсак К.В., Плахотнік О.В. Основи екології. Навчальний посібник. - К: „МАУП” 1998

12. Методичні вказівки та робочий зошит до виконання лабораторно-практичних робіт для студентів із спеціальності 7.070801 - екологія / В. Г. Герасименко, М.О. Герасименко, О.М. Мельниченко та інші. - Біла Церква, 2004. - 82 с.

13. Методичні рекомендації з написання розділу "Охорона праці" в дипломних роботах студентів агрономічного, екологічного, економічного, зооінженерного факультетів та факультету ветеринарної медицини / О.І. Розпутній, І.В. Перцьовий, С.В. Куркіна та ін. / Біла Церква. - 24с.

14. Одум Ю. Основи екології. - М.: Мир, 1975-43 Пыстун І.П. Безпека життєдіяльності. - Суми: Університетська книга, 2000.- С 141-142.

15. Погорелый Л.В., Луценко М.М. Биотехнические системы в жнвотноводстве. К., 1992. - С. 268-292.

16. Пузанов А.Г., Калюжньїй С.В., Скляр В.И. Разработка методов интенсификации процесса метанового сбраживания навоза крупного рогатого скота / Биотехнология. - 1990. - № 5. - С. 49 - 51.

17. Фокина В.Д., Хитров А.И. Переработка навоза в биогаз: Обзорная информация. М., 1981. 49 с.

18. Швиндлерман С.П. Основы общей экологии. - Донецк: Кассиопия, 1999. - с. 100-103.

19. http://esco-ecosys.narod.ru/2004_7/art154/page1.htm

20. http://mkmagazin.almanacwhf.ru/mk_other/small_mech/8805_esche_raz_pro_biogaz.htm

21. http://www.leadnet.ru/s2006/konechenkov.htm

22. http://www.meganet.md/its/ru/reg/biogaz.html

23. http://zhelezyaka.com/news.php?d=051025132102