Обгрунтування конструктивно-функціональної схеми біореактора установки для переробки органічних відходів (гною)

На рис. 2.13 показано технологічну схему біогазової установки з використанням енергії Сонця і вітру, яка реалізована в Росії. У таблиці 2.2 наведені показники двох вітробіогазових установок (ВБГУ), об'ємом біореакторів 500 м? кожний, з розрахунку використання на свинокомплексі у 9000 голів.

Рис. 2.13 - Технологічна схема вітробіогазової установки: 1 - вітроенергетична установка; 2 - бойлер; 3 - опалювальні труби; 4 - теплогенератор; 5 - газові балони; 6 - компресор; 7 - заглиблена помпа; 8 - сховище добрив; 9 - біореактор; 10 - бак з водою

При потужності вітроелектричної установки, рівній 100 кВт (швидкість вітру - 7 м/с), і площі геліоколекторів у 48 м?, розрахунковий добовий вихід біогазу при температурі зброджування 54 ?С - складає більше 1160 м?, а його витрати на компенсацію тепловтрат у біореакторі - не більше 15% за рік. При швидкості вітру більше 7 м/с кожна вітроенергетична установка виробляє у рік додатково до необхідних обсягів ще 370·10? кВт·год енергії. Таким чином, двох установок достатньо для покриття річної потреби свинокомплексу в теплоті для приготування кормів, що складає 2300·10? кВт·рік, і забезпечення повної автономії в теплогазопостачанні [1]. Така установка з нетрадиційних джерел енергії заміщає у рік 250 т дизельного пального, 200 т кам'яного вугілля і 180 т бензину. Об'єм біогумусу (тверда фракція), що виробляється, становить 3000 т.

Сучасне біогазове обладнання, за результатами досліджень Bіденського університету BOKU (University of Applied Life Sciences and Natural Resources), дозволяє ефективно застосовувати у якості сировини для метантенків суміші з подрібненої біомаси та відходів тваринницьких ферм і побутових [1]. У майбутньому такі установки, напевне, матимуть значне поширення. Підраховано, що за умов використання наявного потенціалу з допомогою подібних промислових установок може бути вироблено до 10% електричної енергії від обсягів її виробництва в Австрії. Тому дослідження у цьому напрямку виявляються дуже перспективними для сільської місцевості. Вони спираються на результати окремих розробок, що виконані раніше, у яких проблема ефективного технічного забезпечення виробництва біогазу та супутніх матеріалів розглядається в обмеженому вигляді. Нове устаткування дозволяє отримувати високоякісний біогаз з органічних добрив із використанням зеленої маси таких поновлюваних енергетичних ресурсів як силосна кукурудза, багаторічні трави, кормові буряки та гичка цукрових буряків. На нових тваринницьких комплексах розміщують спеціальний блок, що займається біоенергетикою. Цей елемент ферми (рис. 2.14) дозволяє використати біогаз для автономного енергозабезпечення власних потреб, екологічно безпечно утилізувати органічні залишки і забезпечити кормовиробництво високоефективними твердими та рідкими біодобривами тощо.

Таблиця 2.2 - Технічні характеристики вітробіогазової установки

Місяць	Виробіток енергії, N·103, кВт·год	Енергія з електромережі, N·10?, кВт·год	Теплові втрати в біореак-торі, N·10?, кВт·год	Витрати біогазу на підігрів, N·10?, кВт·год	Товарний виробіток
	вітро-уста-новкою	геліо-уста-новкою				теплота, N·10?, кВт·год	біогаз, N·10?, кВт·год	біогумус, т
1	58,2	-	42,6	30,2	10,6	38,8	62,0	240
2	47,8	-	42,2	30,3	10,4	32,6	55,6	240
3	55,2	4,1	40,0	26,5	10,0	41,4	61,8	240
4	48,8	4,4	40,4	24,4	10,0	37,0	68,8	240
5	40	4,8	35,2	24,2	8,8	28,8	60,8	240
6	27,4	5,0	29,6	20,4	7,4	16,8	54,0	240
7	20	5,8	31,2	21,8	7,8	13,0	60,4	240
8	19,4	4,8	33,2	22,6	8,2	11,4	60,2	240
9	41	3,6	37,2	21,1	9,4	39,8	60,2	240
10	52,6	3,0	35,6	24,4	9,0	45,8	61,2	240
11	58	2,2	42,2	26,4	10,6	41,1	66,0	240
12	58	-	41,2	24,8	10,4	42,4	60,0	240
За рік	527,0	37,0	371,8	275,6	112,6	341,8	734	2880

У сховищі перероблена суміш зберігається до весни як високоцінне біодобриво. Біогаз зберігається в гумовому сховищі з обємом добового виробітку. В силовій установці (двигун внутрішнього згорання + генератор) газ перетворюється в електричний струм і теплоту. З енергії біогазу отримують 30...35 % електричного струму і 70...65 % теплової енергії із загальним ККД 85...90 %.

Установки для виробництва біогазу методом сухої ферментації також мають свої особливості. Поштовхом для розробки цього методу стали наукові дані про те, що у ВРХ близько 17% від сухої маси жуйки перетворюється в метан. Ці установки в принципі повинні забезпечувати рентабельність виробництва біогазу з твердої органічної маси у господарствах середнього розміру, причому близько 1/3 теплоти, що отримується з виробництва біогазу використовується для підтримки процесу ферментації. “Тверду” біомасу, що містить близько 35% сухої маси, і призначену для сухої ферментації, розташовують на спеціально підготовленій бетонній поверхні і покривають газонепроникною плівкою.

Рис. 2.14 - Схема біогазової установки, що комплексно вирішує проблеми енергозабезпечення, кормовиробництва та екології тваринницької ферми [1]

Герметичність покриття з плівки досягається завдяки введенню її країв у профільні канавки, виконані у бетонній основі, і ущільненню гумовим рукавом, що заповнюється, після його укладки в канавки, повітрям через відповідний клапан і будь - який компресор, наприклад, тракторний. Обладнання, що підігріває біомасу, розміщене у бетонній плиті (труби з теплою водою). Трубопровід для відводу виробленого газу під'єднують до спеціального отвору, що зроблений у плівці або у плиті основи. Виконану таким чином “ферментаційну камеру” накривають термоізолюючим шаром (матами, термостійкою плівкою тощо) та захисною плівкою. “Надлишок” виробленого біогазу використовують у газових печах для підігрівання води для побутових потреб. Описану установку з успіхом можна виготовити господарським методом, але її експлуатація потребує великих витрат праці при заповненні та вивантаженні такої ферментаційної камери. Намагаються замінити ручну працю, використовуючи довгі (до 60 м) мішки діаметром близько 2,3 м, виготовлені зі спеціальної міцної плівки, які заповнюються силосними пресами, а також використанням ферментаційних боксів з бетону місткістю близько 120 м3 [1]. У збудованих на сьогодні установках для зберігання неперервності процесу отримання біогазу, як правило використовують дві камери, що по черзі наповнюють кожні 20 - 30 днів. У майбутньому для підвищення ефективності такого способу отримання біогазу можливе введення у біомасу колоній ферментаційних бактерій з певними і бажаними властивостями.

Важливим кроком у поширенні технології сухої ферментації біомаси стала розробка промислової контейнерної схеми її здійснення (рис. 2.15).

Рис. 2.15 - Контейнерна технологія сухої ферментації біомаси де: 1 - площадка під контейнери, 2 - портальний кран, 3 - завантажувач біомаси, 4 - сітчастий контейнер, 5 - термоізольована ферментаційна камера, 6 - високоякісні біодобрива, 7 - газгольдер, 8 - пожежна водойма, 9 - газовідвідні трубопроводи

На всіх етапах одержання та переробки біосировини в біопаливо та біодобрива існує необхідність виконання досліджень елементарних процесів. Комплексні результати з розробки технологій замкненого циклу можна отримувати на розробленій в Національному аграрному університеті дослідній установці, схему якої подано на рис. 2.16.



Рис. 2.16 - Схема дослідної установки для переробки та утилізації органічної сировини

Ця установка служить для дослідження процесів біоконверсії органічної сировини. Вона включає наступні основні елементи: місткості для моделювання сировини, власне біогазову багаторівневу установку з мірними газгольдерами (рис.2.16), камеру прискореної ферментації органічної сировини та стелажі з гідропонікою. Об'єм робочої місткості кожного з метантенків дослідної установки складає 0,03 м3. Споживана електроенергія становить 0,4 кВт·год, а продуктивність виробництва біогазу - 2 - 4 л/год. Установка, водночас, може працювати в режимі маточного відділення для мікроорганізмів при виведенні на робочий режим промислових біогазових установок.

РОЗДІЛ 3. ОБГРУНТУВАННЯ УДОСКОНАЛЕНОЇ СХЕМИ БІОРЕАКТОРА

Тваринницькі і молочні ферми звичайно споживають велику кількість енергії. Різкий ріст цін на паливо безпосередньо впливає на вартість продовольчих товарів. Використання біогаза дозволяє фермерам відмовиться від дорогого природнього палива. Розподіл енергії, яка отримується тваринницькою або молочною фермою в результаті біоконверсії, наведено на рис. 3.1.

Рис. 3.1 - Розподіл використаної енергії у випадку молочної ферми, в якій утримується 100 корів

Пропоную розробити біореактор малої ємкості для сільськогосподарських підприємств і фермерських господарств, який призначений для отримання газоподібного палива (біогаза), теплової і електричної енергії та екологічно чистих високоефективних органічних добрив, які при біотехнологічній переробці всіх видів органічних відходів (гною, посліду, фекально-мочевих стоків, твердих побутових відходів, рослинних рештків) ферми ВРХ, свиноферми, або птахофабрики. Об?єм біореактора 10 м3. За аналог взято російську біогазову установку „БІОЕН-1”, її технічну характеристику наведено нижче.

Автономний біогазоенергетичний модуль БІОЕН-1

Склад обладнання модуля:

2 біореактора-метантенка по 5 м3 кожний;

газгольдер мокрого типа на 12 м3.

За побажанням замовника модуль комплектується:

біогазовим теплогенератором потужністю 23 кВт;

електрогенератором потужністю 4 кВт;

побутовою конфорочною біогазовою плитою;

інфрочервоними горілками на біогазе потужністю 5 кВт.

Технічні характеристики:

площа приміщеня, яке опалюється БІОЕН-1, складає от 150 до 200 м2;

добова кількість відходов, що переробляється при вологості 85% - до 1 тон;

кількість виробленого біогаза 60% метана - до 40 м3/доба;

кількість виробленої електричної енергії - до 80 кВт·год/доба;

кількість виробленої теплової енергії - до 230 кВт.год/доба;

кількість вироблених органічних добрив - 1 т/доба;

власні потреби у енергії на підтримання термофільного процесу складають 30%.

Модуль "БІОЕН-1" може збираться в батареї з двох, трьох и чотирьох комплектів для обробки відходів:

від 50, 75, 100 голів ВРХ;

від 500, 750 та 1000 голів свиней;

від 5000, 7500 та 10000 голів птиць.

Виготовлено і реалізовано в Казахстані та Україні 12 комплектів по два модуля БІОЕН-1.

Виходячи з характера процеса бродіння та його технології, до реактора ставлять в загальному випадку такі вимоги:

абсолютна герметичність стінок, що перешкоджає газообміну;

непроникність для рідин;

збереження міцності у статичному стані при впливі власної сили тяжіння і маси завантаженого субстрата;

досконала теплоізоляція;

корозійна стійкість;

надійність завантаження і розвантаження;

доступність внутрішнього простору для обслуговування.

3.1 Визначення технічної характеристики метантенка

1. Визначення добового обсягу завантаження метантенка.

Qдоб = , (3.1.1)

де Vк = 10 м3 - об?єм бродильної камери метантенка;

p = 7% - добова доза завантаження для мезофільного процесу, [23];

q = 0,9 - коефіцієнт заповнення камери, [23].

Qдоб = = 0,63 м3/доба (3.1.2)

2. Визначаємо добовий об?єм гною, що може переробляти метантанк, за видами тварин.

Qг доб = , (3.1.3)

де Wг1 - відносна вологість гною, який виходить з ферми, [23];

Wг2 = 90% - відносна оптимальна вологість гною, [23];

Qг доб - добовий вихід гною на фермі;

Qдобт - добовий обсяг завантаження метантенка гноєм;

Qдобт = Qдоб сгн = 0,63·1060 = 667,8 кг, (3.1.4)

де сгн = 1060кг/м3 - щільність гною при оптимальній вологості.

Розрахунок будемо проводить для тварин трьох видів: корови, свині, кури.

Корови Qг доб = = 638,12 кг.

Враховуючи, що вихід екскрементів з одної корови 55кг, визначимо кількість тварин, які можуть повністю забезпечити метантенк сировиною:

638,12/55 = 12 голів.

Свині Qг доб = = 645,54 кг.

Враховуючи, що вихід екскрементів з одної корови 5кг, визначимо кількість тварин, які можуть повністю забезпечити метантенк сировиною:

645,54/5 = 129 голів.

Кури Qг доб = = 549,08 кг.

Враховуючи, що вихід екскрементів з одної корови 0,29 кг, визначимо кількість тварин, які можуть повністю забезпечити метантенк сировиною:

549,08/0,29 = 1893.

3. Вміст сухої речовини у гнойовій біомасі.

Р а с р = (3.1.5)

Корови Р а с р = = 89 кг;

Свині Р а с р = = 84 кг;

Кури Р а с р = = 142,7 кг.

4. Кількість органічної речовини в гнойовій біомасі.

Ор = Ра с р · 0,8(3.1.6)

Корови Ор = 89 · 0,8 = 71,2 кг;

Свині Ор = 84 · 0,8 = 67,2 кг;

Кури Ор = 142,7 · 0,8 = 114,16 кг.

5. Обсяг газогенерації, або добовий та річний вихід біогазу.

Добовий вихід біогазу з врахуванням сухої речовини.

Vг = , (3.1.7)

де z = 30% - стан розкладання органічної речовини, [23];

К = 1,3 - коефіцієнт розчинності біогазу, [23];

V = 1,17 кг/м3 - питома вага біогазу (при вмісті за об?ємом: метану 65% та діоксиду вуглецю 35%), [23].

Корови Vг = = 17,6 м3;

Свині Vг = = 17,9 м3;

Кури Vг = = 28 м3.

Добовий вихід біогазу з врахуванням сухої і органічної речовини.

Vг = (3.1.8)

де К = 0,3 - коефіцієнт зброджування органічної речовини, [23];

с = 0,7 - вихід біогазу при зброджуванні 1 кг органічної речовини, [23];

L = 80% - вміст органічної речовини, [23].

Корови Vг = = 15 м3;

Свині Vг = = 14,09 м3;

Кури Vг = = 24 м3.

Річний обсяг вихіду біогазу з врахуванням сухої і органічної речовини.

Vг річн = Vг · 365(3.1.9)

Корови Vг річн = 15 · 365 = 5475 м3;

Свині Vг річн = 14,09 · 365 = 5143 м3;

Кури Vг річн = 24 · 365 = 8760 м3.

6. Визначення виходу залишкової продукції.

6.1. Вихід твердої фракції (шламу).

Мш доб = (3.1.10)

де Wq = 98% - вологість рідкої фракції, [23];

Wг = 90% - вологість гною, що завантажується, [23];

Wш = 87% - вологість шламу, [23].

Корови Мш доб = = 464 кг;

Свині Мш доб = = 469 кг;

Кури Мш доб = = 399 кг.

6.2. Вихід рідкої фракції.

Мq доб = (3.1.11)

Корови Мq доб = = 174 кг;

Свині Мq доб = = 176 кг;

Кури Мq доб = = 149,7 кг.

6.3. Відповідно річний вихід рідкої і твердої фракції.

Mш річн = Мш доб · 365

Mq річн = Мq доб · 365

Корови Мш річн = 464 · 365 = 169360 кг;

Mq річн = 174 · 365 = 63510 кг;

Свині Мш річн = 469 · 365 = 171185 кг;

Mq річн = 176 · 365 = 64240 кг;

Кури Мш річн = 464 · 365 = 145635 кг;

Mq річн = 174 · 365 = 54641 кг.

7. Визначення виходй товарного біогазу.

7.1. Визначення теплової енергії, необхідної для підігрівання біомаси.

Ебгу = Ебгу тепл + Ебгу хол(3.1.12)

Ебгу тепл = С · (Qдобт · 245) · Дt (3.1.13)

Ебгу хол = С · (Qдобт · 120) · Дt

де Дt - різниця температури зброджування і температури вихідного гною;

Дt = tзбр - tгною(3.1.14)

tзбр = 330 С - температура зброджування при мезофільному процесі;

tгною тепл = +200 С - температура вихідног гною в середньому в теплий період, [23];

tгною хол = -100 С - температура вихідног гною в середньому в холодний період, [23];

Дtтепл = 33 - 20 = 130 С;

Дtхол = 33 - 10 = 230 С;

Ебгу тепл = 4,19 · (667,8 · 245) · 13 = 7723 МДж;

Ебгу хол = 4,19 · (667,8 · 120) · 23 = 8911,9 МДж;

Ебгу = 7723 + 8911,9 = 16634,9 МДж.

7.2. Визначаємо кількість біогазу необхідного для підігріву біомаси.

Qбгу , (3.1.15)

де q = 22 МДж/м3 - чиста теплотворна здатність біогазу, [23];

Qбгу = 756 м3.

7.3. Частка біогазу, необхідного для підігріву гною.

зн = ;(3.1.16)

Корови зн = = 0,138;

Свині зн = = 0,146;

Кури зн = = 0,086.

7.4. Максимально-теоретичний коефіцієнт виходу товарного біогазу.

Ктб = 1 - зн; (3.1.17)

Корови Ктб = 1 - 0,138 = 0,862;

Свині Ктб = 1 - 0,146 = 0,854;

Кури Ктб = 1 - 0,086 = 0,914.

7.5. Визначення виходу товарного біогазу.

Vтг = Vг річн · Ктб;(3.1.18)

Корови Vтг = 5475 · 0,862 = 4719,45 м3;

Свині Vтг = 5143 · 0,854 = 4392 м3;

Кури Vтг = 8760 · 0,914 = 8007 м3.

3.2 Конструкційний розрахунок метантенка

Найважливішим елементом биогазової установки є метантенк. Від його конструкції залежить продуктивність й економічна ефективність всієї установки.

Для вибору форми, розмірів і конструкції реактора вирішальну роль грають такі фактори, як:

масова рвитрата субстрата при заповненні;

заданий вихід газа або степень зброджування субстрата як функція від концентрації сухих речовин, завантаження робочоо простору, часу цикла зброджування та інтенсивності перемішування;

система виробництва;

рівень механізації.

Ці фактори визначаються умовами виробництва і цілям технологічного процесу.

Аналіз форм менантенків.

А) Овальна. Достоїнства: найкращі умови для перемішування й відводу опадів, руйнування плаваючої кірки.

Недоліки: висока вартість виготовлення.

Б) Цилиндрическо-коническая. Достоїнства: забезпечує видалення зверху кірки, знизу - відстояного субстрату (шламу)

Матеріали: сталь, пластмаса, бетон.

В) Циліндрична. Достоїнства: проста технологічність виготовлення.

Недоліки: умови для перемішування струму рідини менш сприятливо, вимагають значних питомих витрат енергії.

Г) Похило-горизонтальне розташування циліндричного менантенка.

Достоїнства: похиле розташування полегшує стекание шламу до вивантажувального отвору, краще заповнення, перемішування.

Недоліки: підземне розташування камери сбраживания погіршує теплотехнічні показники.

Матеріали: листова сталь.

Д) Горизонтальне розташування циліндричного менантенка. Достоїнства: дозволяє сбраживать велика кількість субстрату, економія витрат, зручність руйнування кірки.

Недоліки: процес шумування протікає стихійно, безконтрольно, значна тривалість сбраживания.

Приймаємо для проекту цилиндрично-конічну форму менантенка.

Габаритні розміри реактора визначаємо, виходячи з ємкості його камери бродіння (10 м3) і форми.

Рис. 3.2 - Схема форми реактора

Визначаємо об?єм камери бродіння реактора, як суму об?ємів двох простих геометричних тіл (циліндра і конуса).

Vк = V1 + V2 = (3.1.19)

З конструкторських міркувань (зручність завантаження, форма оптимального поперечного перерізу, простота виготовлення) визначимо співвідношення між геометричними розмірами:

H: D = 4: 3;

H - h = H/4;

h = 3H/4;

d = 0,5 м.

Врахувавши, що Vк = 10 м3, H = x і підставивши визначені вищі співвідношення у формулу (3.1.19), отримаємо рівняння 3-го степеня:

. (3.1.20)

Знаходимо вирішення данного рівняння у середовищі Mathcad x = 2,733 м.

Звідси визначаємо геометричні розміри камери бродіння реактора:

x = H = 2,733 м;

D = 3 · 2,733/4 = 2,05 м;

H - h = 2,733/4 = 0,683 м;

h = 2,05 м.

Приведемо геометричні розміри камери бродіння до нормальних лінійних розмірів ГОСТ 6636-69 H = 2,8 м, D = 2 м, H - h = 0,71 м, h = 2 м.

Визначення повної висоти реактора, [1].

Hп = = 3,22 м.(3.1.21)

Для теплоізоляції застосовуємо мати зі скляного штапельного волокна.

Матеріалом для виготовлення основного корпуса - листова сталь.

3.3 Конструювання складових елементів метантенка

Нагрівальні прилади.

Щоб отримати необхідну для процесу бродіння температуру і по можливості підтримувать її на постійному рівні, слід передусім підігріти субстрат, що подається в реактор, до потрібної температури. Додаткове підведення теплоти необхідне для компенсації теплових втрат. У принципі теплоту можна підводить до субстрата в робочий простір реактора або до живлячого його пристрою. Поскільки перепади температури негативно впливають на хід біологічного процесу, необхідно по можливості об?єднати підведення теплоти з інтенсивним перемішуванням. Крім того, у системі підведення теплоти необхідно передбачити, щоб на поверхнях теплопередачі не могли відкладаться взвішані в субстраті тверді частинки (тому рекомендується, наприклад, високі швидкості руху субстрату відносно поверхонь теплопередачі) або щоб ці поверхні легко очищувалися. А це вже досить складне конструкторське рішення. І ще дуже важливо, на роботу теплообмінника не повинна впливать наявність у субстраті твердих матеріалів (наприклад, стеблів соломи, пір?я, шерсті).

Пропоную застосувати у розробляємій конструкції метантенку підігрів у робочому просторі. Для невеликих реакторів з перемішуючами пристосуваннями цілком підходять теплообмінні нагріваючи агрегати (наприклад шланги, циліндричні або плоскі теплообмінники), крізь які прокачується гаряча вода t ? 600 C та які можна виймати з реактора при його очищенні. Саме циліндричний теплообмінник, у вигляді спіральної трубки використуємо у проектуємо му реакторі.

Пристосування для змішування субстрату.

Постійний рівномірний розподіл і переорієнтація рідини, твердих речовин, що знаходяться в ній. Ці речовини різні за формою, розмірами і щільністю, служать передумовою безперешкодного та ефективного протікання процесу бродіння.

Механічні перемішуючі пристосування.

Використання обертаючихся змішуючих пристосувань ставить високі вимоги до форми реактора, якщо повинні бути забезпечені необхідна для зменшення утворення осаду та плаваючої кірки швидкість перемішування і турбулентність, яка вимогається для інтенсивного перемішування субстрату у всіх зонах реактора. Тому такі змішувачі можуть ефективно та з допустимимою витратою енергії використовуватися лише в невеликих реакторах при взаємодії на важкі субстрати. Для простих невеликих установок з незначним виходом газу механічні змішувачам, які в деяких випадках можуть приводитись від руки, являють собою приємлемі вирішення.

Застосуємо шнекову мішалку,що приводить в дію електродвигуном.

3.4 Опис схеми біогазового реактора

Після визначення всіх складових частин біогазового реактора можна скласти його схему (рис. 3.3).

Мікробіологічний реактор служить для метанового зброджування безпідстилкового гною і являє собою резервуар, який складається з верхньої циліндричної і нижньої конічної частини (див. рис. 3.3). Робочий об?єм реактора 10 м3.

Біомаса загружається крізь патрубок завантаження 3 у реактор, у нижній частині метантенка вона підігрівається спіральним теплообмінником 10, по якому рухається тепла вода. Біомаса змішується шнековим змішувачем 2,4, верхня спіраль якого повинна бути вище рівня субстрата. Змішувач приводиться в рух електродвигуном 13, який включається 1 раз у годину на 5 хвилин, швидкість обертання шнека 2-5 об/хв. В процесі змішування досягається однорідність біомаси і рунується кірка на її поверхні. Відпрацьований субстрат виходить крізь зливний патрубок 7, також необхідно передбачить наявність резервного патрубка 8, який виконає свої функції у випадку забивання основного. Дно метантенка зробимо з?ємним, щоб можна було отримати доступ до його нижньої частини. У центрі дна розташуємо патрубок повного зливу. За температурою біомаси у реакторі і режимами роботи електродвигуна слідкує блок автоматичного керування 15, який отримує дані з датчика температури 14. Біогаз збирається у верхній частині метантенку над біомасою у газовій камері 5. Далі крізь патрубок відбору 6 він переходить у газгольдер. На випадок перевищення допустимого значення тиску запроектуємо у кришці реактора запобіжний клапан 16. Також у кришці метантенка потрібно передбачити технологічні люки 12.



Рис. 3.3 - Принципова схема мікробіологічного реактора: 1 - корпус реактора, ззовні теплоізольований; 2 - змішувач; 3 - патрубок завантажувальний; 4 - шнек; 5 - газова камера; 6 - патрубок відбору; 7 - зливний патрубок; 8 - резервний патрубок; 9 - патрубок повного зливу; 10 - теплообмінник; 11 - з?ємне дно реактора; 12 - кришка реактора; 13 - ефектродвигун; 14 - датчик температури; 15 - блок автоматичний блок керування; 16 - запобіжний клапан; 17 - опора реактора

3.5 Потреби метантенка у енергії

3.5.1 Теплота

Витрати теплоти складаються з витрат на підігрівання субстрату та компенсації теплових втрат.

Витрати на підігрівання субстрату біомаси визначені в розділі 3.2.

Теплові втрати в реакторі визначаються:

різницею між температурою маси, що зброджується, і характерною для кожного конкретного випадка зовнішньой температурою окремих поверхонь реактора;

величиною поверхонь контакту субстрату та зовнішнього повітря, субстрата та гранта, газа у просторі над зоною бродіння і зовнішнього повітря;

коефіцієнтом теплопередачі матеріала тої чи іншої стінки;

коефіцієнтом теплопередачі на поверхні контакту між окремими середовищами;

товщина окремих шарів стінок.

Так як із збільшенням розмірів реактора зменшується відношення площі його поверхні до об?єма, втрати теплоти у більш крупних реакторах, по відношенню до одиниці об?єма будуть нижче. Значення добових втрат теплоти для реактора малого класу складають 20%, [25].

Етепл витр = Ебгу · 20/100 = 16634,9 · 20/100 = 3327 МДж

Загальна потреба у теплоті для біогазової установки визначається головним чином витратами на підогрів сібстратудо температури бродіння. Потреба у теплоті для компенсації втрат може бути знижена на декілька відсотків шляхом застосування відповідної ізоляції.

3.5.2 Механічна енергія

Змішування

Потреби у енергії, яка витрачається на перемішування субстрату залежить:

від необхідного степеня змішування;

в?язкості субстрату;

форми і розмірів реактора;

конструкції, виличини, експлуатаційних характеристик та розташування змішувача.

Попередній розрахунок витрат енергії поки ще не може бути можливим із-за відсутності універсальних кількісних рекомендацій по режимам роботи змішуючих пристосувань в умовах експлуатації сільськогосподарських біогазових установок. З іншого боку даны, що базуються на вимірюваннях або практичному досвіді мають лише обмежене застосування, так як спираються на конкретні умови, які в більшості випадків недостатньо точно визначені.

Для реакторів місткістю до 500 м3 приймають потребу у електричній потужності, рівну 30..60 Вт/м3, при часі включення не менше 4 годин і паузами між робочими циклами не більше 7 годин, [25].

Насоси.

До важливих факторів, що визначають потреби у енергії для привода насосів, відносяться:

в?язкість субстрату;

необхідна у кожному конкретному випадку об?ємна подача;

конструкція насоса;

переріз, а також число і кривизна колін у трубопроводах.

Так як насоси для перекачки рідкого гною досягли високого технічного рівня, ми маємо в розпорядженні необхідний виробничий досвід і дані по потребам у енергії для різних умов експлуатації, характерних біогазових установок. Це відноситься також до насосів, які обладнанні пристосуваннями для подрібнення волокнистих і соломи стих частинок.

3.6 Умови експлуатації біогазової установки

1) Для біогазової установки вологість завантажуваної маси повинна бути в межах 88 - 95%; тривалість зброджування 20 - 22 дні; щодоби камери завантажуються сирим гноєм в кількості 5% від їх об'єму.

2) При пуску установки в роботу спочатку завантажується одна бродильна камера. Для прискорення процесу зброджування завантаження проводити невеликими порціями.

3) Щоб уникнути забивання трубопроводу, по якому маса випускається з камери зброджування, потрібно не рідше одного разу на рік очищати дно камер від осаду за допомогою спеціальних механізмів.

РОЗДІЛ 4. ЗАХОДИ БЕЗПЕКИ ПРИ РОБОТІ З МЕТАНТЕНКОМ

4.1 Заходи безпеки при виготовленні і монтажі метантенка біогазової установки

а) При механічній обробці різанням і шліфуванням електроінструменту.

Вид небезпеки: небезпека електротравми; травмування зрізаючим металом (стружкою); високий вміст абразивного пилу в повітрі (при шліфовці); можливість електротравми, опіку.

Заходи безпеки: металевий корпус електроінструменту необхідно заземлити; працювати з електроінструментом в діелектричних калошах і рукавичках; працювати із застосуванням засобів індивідуального захисту (окуляри, головний убір, респіратор); не перевіряти шорсткість оброблюваної деталі на дотик; стружку і абразивний пил змітати щіткою.

б) При зварці.

Вид небезпеки: забруднення повітряного середовища робочої зони зварювальним аерозолем; можливість отримання електротравми, опіку, порізу.

Заходи безпеки: всі з'єднання ацетиленових генераторів, трубопроводів, рукавів і т.п. повинні герметизуватися; зварювач і підручні повинен бути забезпечений індивідуальними засобами захисту: маскою з світлофільтром, брезентовим захисним спецодягом і взуттям; робоче місце повинне бути обладнано черговими діелектричними чобітьми, килимком, рукавичками.

в) При фарбуванні:

Вид небезпеки: сильне забруднення повітря отруйними парами і газами (аерозолем і парами розчинників). Небезпека виникнення пожежі.

Заходи безпеки: потрібно працювати в спецодягу (рукавицях, респіраторі і окулярах); учасники виробництва робіт забарвлень повинні бути забезпечений засобами пожежогасінні.

г) При монтажі з використанням підйомно-транспортного устаткування.

Вид небезпеки: травмування деталлю, що зірвалася, травмування перетертими жилами стропи.

Заходи безпеки: працювати із застосуванням засобів індивідуального захисту (каски, страхувального троса); призначити відповідального по виробництву робіт; кранівники і стропальники повинні мати відповідний допуск на виробництво робіт, підйомно-транспортні машини повинні бути оглянутий.

4.2 Заходи безпеки при експлуатації біогазової установки

Правила складені для робітників, що виконують виробничі завдання по обслуговуванню БГУ під час роботи, а також встановлюють основні вимоги по технічному обслуговуванню БГУ.

Загальні вимоги безпеки:

1. До обслуговування БГУ допускаються особи не молодше 18 років, тільки після проходження інструктажа по охороні праці на робочих місцях. Запис про проведення інструктажа проводиться в журнал з обов'язковим підписом проінструктованих робітників і особи, що проводила інструктаж.

2. Інструктаж по охороні праці з обслуговуючим персоналом повинен проводитися щодня перед заступанням зміни на роботу. Обличчя, виконуючі роботи по обслуговуванню БГУ, проходять медичний огляд не рідше 1 разу на 6 місяців. Вагітні і годуючі жінки до роботи по обслуговуванню БГУ не допускаються.

3. При роботі з БГУ необхідно пам'ятати про вибухонебезпеку Метану і строго стежити за герметичністю газгольдера і його комунікації. При виявленні витоку газу роботу потрібно припинити, усувати дефект повинні тільки фахівці, добре знаючі правила поводження з вибухонебезпечними речовинами.

4. Порожніх цистерн і резервуарів БГУ оглядається не менше ніж двома фахівцями, що знають заходи безпеки і забезпеченими шланговими противогазами, гумовими рукавичками і страхуючими вірьовками. Після роботи необхідно провітрити спецодяг в спеціально відведеному для цього приміщення.

5. При роботі по обслуговуванню БГУ можливо виникнення наступних небезпечних і шкідливих виробничих чинників: висока напруга живлення електроустановок, виділення токсичних газів, підвищений рівень шуму, вібрації, підвищений тиск газу, відкрите полум'я.

До складу біогазу входять сірководень (H2S), вуглекислий газ (CO2) і Метан. Метан, що входить до складу біогазу, практично не отруйний. Він легше за повітря, легко запалав і утворює з повітрям (5-15% Метану) або киснем вибухову суміш. У разі витоку, за наявності вентиляції, газ випаровується без яких або наслідків. Сірководень, якщо і представляє небезпеку для здоров'я людей, то зустрічається в невеликих кількостях і легко виявляється по неприємному запаху. Оскільки сірководень важче за повітря, необхідно звертати увагу на те, щоб при витоках цей газ не зміг нагромаджуватися в поглибленнях. При високих концентраціях він притупляє сприйняття запаху, що утрудняє його виявлення і може привести до смертельних отруєнь, але ще раз можна відзначити, що частка сірководня в біогазі дуже мала і состовляет не більше 1 %. Вуглекислий газ (CO2) входить до складу біогазу, теж може скоплюватися в глибоких виїмках, оскільки він важче за повітря, за наявності нещільності в установці викликає небезпеку задухи.

РОЗДІЛ 5. ЕФЕКТИВНІСТЬ БІОГАЗОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Досвід із впровадження технологій метаногенезу в сільськогосподарську практику показує, що в ієрархії ефективності цього метода перше місце займає його екологічний ефект, потім реалізується ефект від отримання високоякісних добрив, і тільки третє місце займає часто недооцінена енергетична складова процесу.

Фізико-механічні властивості стоків гною залежать в основному від умов утримання тварин на фермі і способів прибирання гною (механічний, самопливний або гідрозмивний) і змінюються в межах: вологість 76,8-98,3%, зольність 14-22%. Обсяги річних стоків визначаються кількістю тварин, що утримуються, і сягають 44-468 м? на фермах ВРХ і 37-2580 м? у свинарниках. Вихід біогазу залежить від кількості сухої органічної речовини (с.о.р.) у гної і його якісного складу. Максимальний вихід біогазу (в розрахунку на 1 кг с.о.р.) складає: 0,35 м? із гною ВРХ, 0,45 м? із гною молочної худоби; 0,5 м? із свинячого гною і 0,7 м? з пташиного посліду. Якісний склад стоків визначається співвідношенням його компонентів: білків, жирів, вуглеводів, целюлози, лігніну. При високому вмісті лігніну, який практично не розпадається при метановому зброджуванні (що характерно для гною ВРХ на відгодівлі), отримуємо мінімальну кількість біогазу - до 0,35 м?, а при високому вмісті білків, жирів і вуглеводів у вихідному гної - до 0,7 м? біогазу. В установках, що працюють у мезофільному режимі, добовий вихід біогазу складає 1,0 м?, у термофільному режимі - 2,0 м? біогазу з 1 м? робочого об'єму метантенка.

5.1 Енергетична доцільність

Слід зазначити, що біогазові установки з невеликим об'ємом реакторів (до 25 м?) мають негативний енергетичний баланс. І тільки установки з об'ємом метатенка 100 м? і більше, з витриманою технологією зброджування дають енергетичний ефект. Важливою умовою для сприятливого протікання процесу є постійність температури на вибраному рівні, так як будь-які відхилення зменшують метаболічну і репродуктивну активність мікроорганізмів.

Проведемо оцінку енергетичного балансу біогазової установки. Відповідно до технології отримання біогазу, показаної на рис. 5.1, у загальний енергетичний баланс процесу включаються витрати енергії на перекачку гною, починаючи від подачі його в пристрій для попереднього нагрівання, на акумулюючі місткості і метантенк, і закінчуючи вивантаженням збродженої маси у сховище і прокачуванням її через теплообмінники. У кожному конкретному випадку кількість енергії визначається в'язкістю маси, що переміщується, продуктивністю і тривалістю роботи помп, а також характеристиками теплотраси (довжиною і перерізом трубопроводів тощо).

У загальному вигляді витрати енергії (кВт·год) можуть бути визначені за формулою:

Pi = VPз/W, (5.1)

де V - об'єм гною, що переміщується, м?; Р - потужність, що споживається помпою, кВт; W - продуктивність помпи, м?/год; з - ККД помпи.

При розрахунку енергетичного балансу біогазової установки враховувались: типорозмірний ряд тваринницьких ферм, їх кількість, кліматичні зони, способи прибирання гною та його кількість, що підлягає переробці, обсяги стоків та їх фізико-механічні властивості, робочі параметри метантенка і вихід біогазу. Суттєвий вплив на енергоємність процесу справляє підтримання постійної температури зброджування всередині метантенка. На енергетичний баланс установки мають істотний вплив природнокліматичні умови розміщення тваринницької ферми.



Рис. 5.1 - Структурна схема біогазової установки для розрахунку її енергетичного балансу: 1 - гноєприймач; 2 - відокремлювач механічних включень; 3 - теплообмінник; 4 - метантенк; 5 - газовий котел; 6 - підігрівач; 7 - розподільник; 8 - метантенк; 9 - помпа для подачі гною; 10 - водяна помпа; 11 - відбирання твердих включень; 12 - зброджена маса

В основу енергетичної оцінки покладено структурну схему біогазової установки (рис. 5.1) і параметри робочого режиму метантенка (табл. 5.1).

Тепловий баланс біогазової установки визначають залежністю:

Q1 = (К1Q2 + Q3)К2 = (0,5·16634,9 + 3327) ·1,5 = 17466,7 МДж, (5.2)

де Q1 - енергія, отримана з біогазу;

Q2 - енергія, що витрачається на нагрівання гною до температури бродіння;

Q3 - енергія, що витрачається на компенсацію тепловтрат у навколишнє середовище;

К1 - коефіцієнт, що враховує утилізацію теплоти збродженої маси для нагрівання вхідної сировини в теплообміннику (К1=0,5);

К2 - коефіцієнт, що враховує тепловтрати з біологічним газом у трубопроводах (К2 = 1,15).

Таблиця 5.1 - Параметри роботи метантенку при мезофільному режимі

Найменування параметру	Стадії процесу
	I (гідроліз)	II (кисле бродіння)	III(метаногенез)
Температура бродіння, °С	15-35	30-37	30-37
Перемішування: кратність, разів тривалість циклу, хв. спосіб швидкість, м/с	1-6 5-30 механічний <0,5	1-6 5-30 механічний <0,5	1-12 5-30 газовий -
Режим завантаження	безперервний
Доза добового завантаження, %	5-15	5-15	5-15

Теплова енергія (МДж), що отримується з біогазу і витрачається на нагрівання гною, розрахована в розділі 3:

Q2 = ЕБГУ = 16634,9 МДж,

Q3 = Етепл витр = 3327 МДж.

Тепловтрати в навколишнє середовище визначаються величиною коефіцієнта тепловіддачі, який, при застосуванні мінеральної вати в якості теплоізоляційного матеріалу, складає 0,3 Вт/(м? ·К).

На тепловий баланс установки суттєво впливає величина сухої органічної речовини гною, що зброджується [1]. При її вмісті на рівні 20 кг/м? і менше біогазові установки мають від'ємний тепловий баланс у всіх кліматичних зонах при будь-яких режимах бродіння. Найбільш вигідний тепловий баланс мають установки, що переробляють гній з сухою органічною речовиною (СОР) в обсязі 80 кг/м?, у районах з теплим кліматом, що працюють в мезофільному режимі. У цьому випадку частка витрат енергії на власні потреби складає 21,1%.

Таким чином [1], при здійсненні процесу ферментації біомаси у метантенку складові витрат енергії розподіляються на:

теплові:

попереднє нагрівання гною - 72%;

втрати в технологічних трубопроводах - 3,57%;

втрати в теплоізоляційному прошарку - 14,1%;

електричні:

подача гною в нагрівальну установку - 1,16%;

циркуляція гною в нагрівальній установці - 1,95%;

завантаження гною в метантенк - 1,16%;

створення розрідження в нагрівальній установці -1,95%;

вивантаження збродженого гною - 0,59%;

переміщування збродженого гною - 3,1%.

Тобто, витрати електроенергії складають 8,91% від загальних.

5.2 Економічна ефективність

Застосування технологій біогазового виробництва, що обумовлене необхідністю опанування нових джерел енергії, навіть в умовах, коли традиційні палива займають домінуюче положення, потрібно обгрунтувати з економічної точки зору. Сьогодні на енергетичному ринку країн Європи, зокрема у Чеській Республіці [1], потенційне використання біогазу може зайняти досить помітну позицію (рис. 5.2).

Рис. 5.2 - Теоретичний прогноз використання біогазу в аграрній галузі при сучасному рівні енергоспоживання, де: Т + Р - біогаз з біомаси та виділень тварин, а Т - з відходів ферм

Економічна оцінка сільськогосподарської сировини для виробництва біогазу засвідчує, що існує необхідність диференціації її використання. За результатами досліджень Інституту сільськогосподарської техніки (VUZT), доцільним є поділ усієї можливої кількості органічних відходів сільського господарства на три умовних рівні, що у дійсності складають теоретичний, доступний та економічно-вигідний потенціал розвитку технологій метаногенезу (табл. 5.2).

Отже, економічно-вигідна органічна сировина складає в енергетичному еквіваленті всього 12.1% від теоретично можливої. Звідси, більш реальним (для сільської місцевості у період до 2010 року) буде виробництво енергії з біогазу на рівні 3% від загальної потреби галузі.

Розрахуємо економічну ефективність біогазової установки, до складу якої входить розроблений реактор-метантенк, для ферми великої рогатої худоби на 12 голів.

Вихід гною при стійловому утриманні складає 0,63 м3/добу, вихідна вологість якого 86%, вміст сухої органічної речовини - 89 кг/добу. Добовий вихід біогазу складає 17,6 м3. При енерговмісті біогазу на рівні 23 МДж/м3 енергетичний потенціал відходів ферми можна оцінити в 14 кг умовного палива на добу. Витрати електроенергії для власних потреб становлять 2 кВтгод/добу. Витрати теплоти для власних потреб: узимку 74,5 МДж/добу, улітку - 31,5 МДж/добу. Тривалість теплого періоду приймають рівною 245 діб, холодного - 120 діб.

Капітальні вкладення (К) в біоенергетичну установку для обслуговування ферми на 12 голів ВРХ складають приблизно 79500 грн. Річні експлуатаційні витрати - 7100 грн., складаються з: амортизаційних відрахувань в розмірі 5% від вартості біогазової установки, витрат на ремонтно-технічне обслуговування, заробітної плати в розмірі 200 грн. в місяць для обслужуючого персоналу, інших витрат в розмірі 10% від суми перерахованих витрат.

Таблиця 5.2 - Потенційна сировина для виробництва біогазу в сільському господарстві Чеської Республіки (до 2010 р.)

Потенціал використання біогазу	Відходи тварин	Біомаса	Побутові відходи	Всього	ПВ/РМ/ВЕ*
Теоретичний	Сировина, тис. т	30000	6000	2806	38806	1808
	Біогаз, тис. м3	780000	450000	280600	1510600	36300
	Енергія, ПДж	17	10	6	33	1650
Доступний	Сировина, тис. т	10000	3000	1403	14403	680
	Біогаз, тис. м3	260000	225000	140300	625300	20600
	Енергія, ПДж	5,7	5	3	14	690
Економічно-вигідний	Сировина, тис. т	2100	1000	250	4350	160
	Біогаз, тис. м3	61000	75000	25000	187000	6100
	Енергія, ПДж	1,3	1,7	0,6	4	200
ПВ - приведені витрати (млн. дол.), РМ - робочі місця, (шт.), ВЕ - виробництво енергії (ГВт·год./рік)

Грошова виручка від реалізації продуктів переробки біомаси складається з виручки від продажу електроенергії, теплоти і добрив.

При ціні на електроенергію 31 коп/кВтгод грошова виручка від її продажу за рік складе:

R1 = 0,31· 0,862·(17,6 · 0,62 - 2) · 365 = 868 грн.(5.3)

Річний вихід твердої фракції складає 170 т, при ціні за 1 т добрив 200 грн., виручка від їх продажу

R2 = 170 200 = 34000 грн.(5.3)

Загальна річна виручка

R = 868 + + 34000 = 34868 грн.

Термін окупності біоенергетичної установки

,(5.4)

де ЧП - щорічна сума прибутку; А - річні експлуатаційні витрати,

Ток = 79500/(34868 - 7100) = 2,86 роки.

Таким чином, при прийнятих вихідних даних біогазова енергетична установка є економічно ефективною.

5.3 Екологічна безпека

Агропромислове виробництво є джерелом значної кількості шкідливих викидів газів та органічних відходів у навколишнє середовище, чим істотно погіршує стан екології довкілля (рис. 5.3). Аналізуючи сучасну ситуацію з наведенням лише трьох складових забруднень атмосфери, слід підкреслити, що екологічні втрати від такої діяльності у сільській місцевості не співвідносяться з відповідними у промисловості за питомою вагомістю валових продуктів аграрної та промислової галузей. Тому, технології, що полегшують антропогенний вплив на екологію, повинні активно впроваджуватись у сільській місцевості. Саме процеси метаногенезу біомаси дозволяють ефективно протистояти збільшенню шкодочинних емісій газів сільськогосподарського походження.



Рис. 5.3 - Емісії газів N2O, C4H та NH3 у загальному балансі галузей [1], де частку (%) аграрного виробництва розміщено знизу

Дехто вважає, що головним призначенням ферментаційних установок є отримання біогазу, який служить додатковим джерелом місцевого енергопостачання. Оцінюючи з цієї точки зору економічну ефективність переробки біомаси, вони не враховують, що біогазові установки є альтернативним обладнанням для переробки гною і відходів. Тому, витрати на їх створення і експлуатацію повинні бути віднесені до заходів знезаражування гною, виробництва високоякісних добрив і захисту навколишнього середовища. У цьому випадку біогазові установки завжди будуть мати позитивний економічний ефект. Розрахунки показують, що, незважаючи на значні капітальні вкладення, термін окупності промислової біогазової установки складає біля трьох років.

Утилізацію гноївки, що перебродила в метантенку, вирізняють свої особливості. Вона у порівнянні з гноєм має кращі поживні та сорбційні властивості. Азот виступає в редукованій формі і краще засвоюється рослинами, меншим є склад активного насіння бур'янів, що дає можливість зменшувати дози засобів захисту рослин, а завдяки тому, що маса перебродила, стає менш відчутним запах. Використання гноївки, що перебродила, в якості органічних добрив, дозволяє швидше відновити вміст гумусу в грунті у порівнянні з традиційним використанням мінеральних добрив. Перероблена в процесі ферментації і призначена для підживлення рослин гноївка, повинна зберігатися в резервуарах, обладнаних додатковими стічними системами. Ємність резервуару повинна бути розрахована так, щоб запас добрив можна було зберігати тривалістю до 6 місяців, оскільки їх внесення регламентується періодами вегетації рослин (ємність резервуару повинна складати близько 1,5 м3 на голову ВРХ). Добриво має підвищений вміст редукованого азоту і тому використання його у невідповідний час може призвести до окислення азоту в солі азотної кислоти і викликати забруднення грунтових вод. Для охорони навколишнього середовища необхідним є відповідне забезпечення зберігання гноївки, що перебродила. Азот у редукованому вигляді до мочевини може вільно випаровуватися з добрива, що зберігається, цьому можна перешкодити створенням захисного шару з соломи (січка, в'язанки) або елементів зі штучного матеріалу (наприклад кульки з пінополістиролу), що відокремлюють поверхню добрива від повітря. При виборі захисного шару, слід приймати до уваги забезпечення можливості механічної гомогенізації та перекачування гноївки - наприклад пінополістиролові елементи можуть перешкоджати роботі насосів, а січка із соломи у свою чергу через деякий час опускається на дно резервуару.

Важливим результатом застосування технологій метаногенезу є те, що перероблені в біогазовій установці органічні відходи зі свиноферми практично не мають неприємного запаху (рис. 5.4) і, водночас, є цінними за вмістом в них поживних речовин добривами для сільськогосподарських культур.

Перероблені в біогазовій установці органічні добрива мають більший вміст аміаку в порівнянні з первинною сировиною. Через це постає проблема підвищеного виділення аміаку при внесенні добрив. При внесенні вироблених в біогазовому реакторі добрив звичайним способом (розкидачем з тарілчастим апаратом) втрати аміаку на 85 % більші, ніж при їх локальному внесенні штанговим шланговим розкидачем безпосередньо на грунт.

У централізованих установках, які обслуговують декілька десятків господарств, неперероблена гноївка надходить від різних постачальників і тому існує вірогідність розповсюдження патогенів (бактерій, паразитів, вірусів та грибів) на всій території обслуговування. У цих випадках необхідним є застосування так званого процесу знезаражування (гігієнізації). Знезаражування полягає в тому, що завантажуваний матеріал (гноївка, що не перебродила) обробляється повітрям підігрітим до температури 700С протягом приблизно 60 хв. Час знезаражування залежить від температури при якій воно проводиться - чим нижча температура, тим довше слід знезаражувати відкладення. Знезаражування узаконене правовими актами використання добрив, що перебродили, у Німеччині та Данії. Знезаражування проводиться в спеціальних резервуарах перед ферментаційними камерами, а її застосування повинно забезпечувати суттєве зменшення патогенних організмів.

Рис. 5.4 - Емісії газів з органічних добрив за час зберігання на свинофермі

Альтернативою застосуванню досить енергоємного знезаражування є компостування гноївки, що перебродила, протягом одного місяця у безкисневому середовищі з наступним насиченням її повітрям. Отримані таким чином продукти є безпечними з бактеріологічної точки зору, легко дегідруються і продаваються як добриво. Осади, що застосовуються як добриво у сільському господарстві повинні відповідати вимогам, щодо вмісту важких металів, наявності організмів здатних викликати хвороби, а також допустимої дози азоту на 1 га земельних угідь на протязі року. Осадки стоків, які будуть використовуватися у землеробстві повинні систематично контролюватися, причому частота контролю залежить від розміру установки. Крім того, раз на 5 років слід робити обстеження грунтів, на яких застосовувались такі добрива, оскільки дози добрив з осадків стоків залежать від виду грунту, способу використання та потреби рослин у біогенних складових.

Найбільший ефект для оточуючого середовища можна одержати при комплексному аналізі та синтезі систем біоконверсії органічної речовини сільськогосподарського походження (рис. 5.3). Для реалізації інтегрованого екологічного тваринництва на основі використання механізованих біоконверсних технологій [ 1] необхідна реалізація наступних розробок:

Технологій та обладнання для прискореної багато-тоннажної біотехнологічної переробки органічних відходів рослинництва, тваринництва та переробних галузей з метою отримання біологічно активних гуміномістких та високоефективних добрив (біогумусів), з вмістом гумусу 20-40 %, які можуть слугувати основним компонентом органо-мінеральних сумішей або використовуватись самостійно для санації та прискореного відновлення родючості грунтів.

При цьому можуть використовуватись біотехнологічні процеси:

- анаеробної (метанової) ферментація рідких і напіврідких відходів;

- прискореного компостування твердих відходів в реакторних системах з примусової аерації;

- вермикультивування твердих відходів;

- анаеробної і аеробної ферментації з використанням як інокуляту ЕМ-препаратів.

Норми внесення отриманих гуміфікованих добрив складають 0,5-5 т/га проти 40 т/га традиційних компостів, а потреба в мінеральних добривах зменшується на 20-80 % [1].

Технологій і обладнання для промислового напрацювання в умовах районних біолабораторій екологічно безпечних бактеріальних препаратів (азотфіксуючих, целюлозоруйнуючих, фосфор-мобілізуючих, біопестицидів та ентомоакарифагів). При цьому можлива заміна понад 30% хімічних пестицидів і не менше 25% мінеральних добрив на їх біологічні аналоги, зниження на 30 % енерговитрат на вирощування продукції рослинництва, а також отримання екологічно безпечних кормів і продукції на полях. А в закритому грунті можлива повна відмова від застосування хімічних пестицидів [1]. Технологій і обладнання для утилізації газових викидів тваринництва з метою усунення неприємних запахів і зменшення еміссій аміаку та інших газів на основі використання ЕМ-препаратів. Технології та обладнання для отримання поживних розчинів для вирощування екологічно чистих кормів і гідропонної овочевої продукції в закритому грунті на основі мікробіологічної ферментації відходів ферм. Проектів екологічно чистих тваринницьких ферм, інтегрованих в збалансовані агроекосистеми з обов'язковою наявністю вище зазначених складових (рис. 5.5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.5 - Технологічна схема екологічно безпечної тваринницької ферми з комплексним застосуванням процесів біоконверсії відходів

В Україні вже створені дослідні і промислові зразки обладнання для реалізації основних елементів систем екологічного тваринництва. Це обладнання для виробництва в господарствах біопрепаратів і вирощування ентомоакарифагів (Інженерно-технологічний інститут “Біотехніка” УААН, м. Одеса), пілотний біоконверсний комплекс (Національний аграрний університет України), технології і обладнання для вермикультивування (Український науково-дослідний інститут з прогнозування і випробування техніки ім. Л.В. Погорілого).