Россия
Казань, Республика Татарстан, Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.01 Общие вопросы сельского хозяйства
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
В данной статье рассматривается новый метод утилизации углеродсодержащих отходов в биогаз с добавлением в субстрат биологической активной добавки Мефосфон с целью ускорения процесса получения биогаза и сохранения питательных элементов в конечном продукте - органическом удобрении. Эксперименты проводились в малообъемной биогазовой установке (МБУ) без доступа воздуха в теплоизолированном реакторе, заполненном на 2/3. Представлены результаты численных исследований продуктов конверсии навоза КРС. Навоз выдерживался в реакторе в течение 7 суток. Применение препарата Мефосфон в сверхнизких концентрациях (10-4), позволило получить полезный продукт в виде высококачественного органического биоудобрения и биогаз. Проведенный микробиологический анализ экспериментов показал, что в эксперименте с применением препарата Мефосфон, содержимое энтерококков и бактерий группы кишечной палочки были ниже, чем в эксперименте без препарата Мефосфон. Биоконверсия органической составляющей субстрата позволяет использовать отходы в сельском хозяйстве как органические удобрения. Такая переработка позволяет существенно снизить сухую массу обработанного органического отхода и уменьшить содержание патогенных микроорганизмов Salmonella spp. и Enterococcus spp., бактериофага ФХ174, Ascarissuumova. Препарат Мефосфон сокращает время созревания и обезвреживания углеродосодержащих отходов сельского хозяйства, что свидетельствует о перспективности его применения. После переработки отходов в малообъемной биогазовой установке в них отсутствуют болезнетворные патогенные микрофлоры, яйца гельминтов, семена сорных растений, нитриты и нитраты. Конечное содержание азота в обработанном Мефосфоном субстрате более высокое, чем в необработанном субстрате. Значения кислотности в субстрате рН 6,7 в необработанном и 7,5 в обработанном субстрате. Исследования показали, что при добавление препарата Мефосфон в субстрат выделение биогаза начинается на 1-2 день и продолжается до 7 дней. При этом выход биогаза увеличивается до 25% по сравнению с использованием контрольного субстрата без применения препарата Мефосфон. Препарат нашел применение в растениеводстве, животноводстве, рекультивации загрязненных почв
Мефосфон, биогаз, биоудобрение, реактор, углеродосодержащие отходы, утилизация, энергосбережение, эксперименты
Введение. В настоящее время в Российской Федерации и в Казанском ГАУ, в частности, большое внимание уделяется вопросам научного обоснования новых технических решений для производства экологических продуктов [1, 2, 3] и переработки [4] углеродосодержащих отходов. Особенно это важно при разработке и совершенствовании технологического оборудования для животноводства [5].
Ежегодное увеличение количества животноводческих комплексов и крестьянских фермерских хозяйств в связи развитием бизнеса повышает интерес к рентабельности системы утилизации и хранения отходов животноводства и птицеводства. Большие объемы выхода животноводческих отходов, их потенциальная опасность для природных систем в непереработанном виде делают актуальным поиск решений по их утилизации, снижению класса опасности отходов [6]. Животноводство является крупным производителем таких парниковых газов как метан, углекислый газ и закись азота. На долю отрасли приходится 18% выбросов всех планетарных парниковых газов, из них 9% составляет углекислый газ, 65% - закись азота и 35% - метана. В общей сложности, выбросы парниковых газов связанные с цепочками поставок скота составляют до 7.1 гигатонн углекислого газа каждый год, эквивалентного 14.5% всех выбросов парниковых газов. Главные источники выброса следующие: производство и обработка корма (45% от всего), процесс пищеварения коровами (39%) и разложения навоза (10%). Остальная часть объясняется обработкой и транспортировкой продуктов животного происхождения»[9].
Количество получаемого навоза (т), получаемого на фермерском хозяйстве или животноводческом комплексе за сутки можно определить используя формулу [7]:
(1)
где mэ-i - суточный выход экскрементов от одного животного, кг;
mbi - суточное количество воды, добавляемое в систему навозоудаления в расчете на одно животное, принимают равным: 0,2...0,5 - при самотечной системе; 2,0...2,5 - при смывной системе с сухой очисткой полов; 5,0...6,0 - при смывной системе с мойкой полов, кг;
mbki - количество механических включений, поступающих в систему навозоудаления в сутки в расчете на одно животное производственной группы, принимают равным 0,01...0,07 - для ферм и комплексов крупного рогатого скота; 0,002…0,01 - для свиноводческих ферм и комплексов, кг;
n - количество животных, находящихся в одной производственной группе (принимается в соответствии с оборотом стада), гол.;
m - число производственных групп животных на ферме или комплексе.
Состав и свойства бесподстилочного навоза зависят от рациона и типа кормления животных, их вида, пола и возраста, технологии содержания и кормления, хозяйственного назначения и продуктивности.
Органические отходы сельского хозяйства обычно вывозятся с ферм, а затем хранятся для простой естественной переработки. А бытовые отходы вывозится на специализированную свалку твердых отходов (ТБО). Оба способа удаление отходов приводят к проявлении инфекции, подкислению почвы, что делает ее не пригодной для выращивания без применения дорогостоящих средств для восстановления. Продукты распада отходов попадают в грунтовые воды, приводит к выбросам парниковых газов в атмосферу и другим неблагоприятным последствиям. Утилизацию бытовых органических отходов можно решить сортировкой, а затем переработкой. На сельскохозяйственных предприятиях или фермах отходы желательно немедленно переработать. Фундаментальной проблемой является внедрение безотходных технологий производства и оптимизация использования ограниченных ресурсов. Отходы сельского хозяйства, подлежащие переработке, содержат в значительном количестве биомассу - биологических источников энергии. Энергетический потенциал этих отходов зависит от способности производства биогаза.
Одним из возможных способов утилизации отходов животноводства является анаэробное сбраживание с одновременным получением энергии из субстрата в биогазовых установках. Основным материалом в качестве перерабатываемого субстрата в биогазовых установках служат отходы сельскохозяйственного происхождения (навоз и растительные отходы), отходы промышленного происхождения перерабатывающих предприятий. Отходы полигонов и свалок ТБО перерабатываются в специализированных биогазовых установках. Технология переработки отходов с применением биогазовой установки дает возможность получать биогаз, минерализованные органические удобрения и витаминные кормовые добавки для животных и птиц. Основными факторами для сооружения биогазовых установок являются: переработка отходов сельского хозяйства, получение возобновляемой энергии (биогаз, электричество), получение высококачественных органических удобрений, решение экологических проблем. И главным аргументом использования биогазовых технологий является продвижение безотходных технологий в сельскохозяйственной производстве [10]. При сжигании биогазa не происходит выбрасывания парниковых газов в атмосферу, что не дает вклада в парниковый эффект.
Принцип работы биогазовых установок заключается в анаэробном сбраживании перерабатываемого субстрата, то есть без доступа кислорода в реактор. Органические отходы в емкости начинают первичную ферментацию и начальную подготовку для загрузки в реактор. Подготовка заключается в доведении до определенной влажности путем добавления жидкости и перемешивания.
Влажность бесподстилочного навоза Wi находим по формуле [11]:
(2)
где Wу - влажность экскрементов (для крупного рогатого скота - 87 %, для свиней - 87–88 %, для овец - 74–75 %).
Количество сухого вещества рассчитывается по формуле [12]:
(3)
Содержание гигроскопической влаги определяется по формуле [13]:
(4)
где А – масса пустого бюкса, г;
В – масса бюкса с исходной навеской растительного материала, г;
С – масса бюкса с навеской растительного образца после высушивания, г.
Подготовленный субстрат перекачивается в реактор (другое название - метантенк, ферментатор). Для полноценной работы реактор должен быть полностью герметичным. Его также обрабатывают антикислотным и антикоррозионным покрытием. Для поддержания равномерной температуры реакторы утеплены. В разных регионах климатические условия отличаются. В зависимости от этих условий у каждой биогазовой установки слой утеплителя рассчитывается индивидуально. Материалами для изготовления реакторов служат стальные емкости и монолитные железобетоны. Закачка субстрата насосами в реактор идет ежедневно или за определенный цикл. Доза загрузки субстрата определяется исходя из времени сбраживания (времени оборота реактора) и выбранного температурного режима. Реактор показан схематически на рисунке 1.
Выгрузка переработанного субстрата (минерализованных азотных биоудобрений) из реактора аналогична закачке.
В биогазовой установке для повышения эффективности нужно поддерживать определенный температурный режим.
Основу анаэробного сбраживания органических отходов составляет энергетический баланс технологических потерь и сохранение тепла в реакторе в период выделения биогаза [14]. Как показывают данные анализа технологического процесса, что основная тепловая нагрузка приходится на подогрев свежего субстрата до температуры сбраживания. В таблице 1 показано распределение тепловой энергии при анаэробном сбраживании органических отходов сельского хозяйства.
Температурный режим – главное условие поддержания жизнедеятельности микроорганизмов и состояния микрофлоры.
Известны три температурных режима: психофильный (рабочая температура в пределах от 15 до 25 °С); мезофильний, (рабочая температура от 26 до 45 °С); термофильный (рабочая температура от 46 до 55 °С) [15]. Для равномерного распределения поддерживаемой температуры и разрушения образующейся корки субстрата осуществляется перемешивание субстрата внутри реактора. Перемешивание происходит с применением погружных мешалок, а в некоторых случаях пневматических мешалок. Биогаз перекачивается автоматически с применением компрессора по трубопроводу в газгольдер. Для безопасной работы биогазовой установки в ней установлены устройство для отвода конденсата и предохранительный клапан. Клапан устанавливается для защиты газгольдера от превышения допустимого давления. Датчики предельных значений дают возможность безопасной работы биогазовой установки. Систему работы биогазовой установки можно запустить и в ручном режиме. Биогазовые установки без поломок могут работать до 20 лет.
Целью данного исследования является ускорение процесса выхода биогаза и сохранение питательных элементов в перерабатываемой биомассе.
Задачами исследований являются: исследование влияния препарата Мефосфон на выход биогаза и изучение физико-химических характеристик переброженной биомассы.
Условия, материалы и методы. Основные результаты работы получены на основе теоретических и экспериментальных исследований. Исследование проводилось в малообъемной биогазовой установке, разработанной в Казанском государственном аграрном университете.
Конструкция МБУ (рисунок 2) представляет собой биореактор, объемом 30 литров, в который в определенных соотношениях помещен перерабатываемый биоэнергетический субстрат. Производимый биогаз фиксируется бытовым газовым счетчиком, а давление контролируется по электроконтактному манометру. Биогаз горит синим пламенем, а сжигание происходит подачей биогаза на горелку. Элементами малообъемной биогазовой установки являются: компрессор, электрическая печь, программатор, регулятор температуры и панель управления [16].
Для запуска МБУ проводятся следующие действия. Перед началом эксперимента проводится подготовка субстрата для загрузки в биореактор. Первый эксперимент (вариант №1) проводился с использованием свежих экскрементов коровы при влажности до 85 %. Использовалась общепринятая методика определения влажности [17]. Определение содержания гигроскопической влаги основано на учёте изменения массы воздушно - сухого материала при высушивании его в термостате при температуре 100-105°С до постоянной массы. На весах взвешивали пустые высушенные бюксы и фиксировали их массы (М0i), затем взвешивали эти же бюксы с биомассой и фиксировали их массы (Мбиомасса.i). После фиксации масс устанавливали открытые бюксы с биомассой пробами в сушильный шкаф. Пробы выдерживали в сушильном шкафу в течение 8 ч при температуре от 105 °С. Закрывали бюксы притертыми крышками, переносили их в эксикатор и выдерживали там до полного остывания (около 40 мин). Взвешивали бюксы с биомассой абсолютно-сухой пробы и фиксировали их массы (Мабс.сух.i). Из полученных измерений масс находили влажность субстратов и далее, с учетом этой влажности, отбирали субстрат для загрузки в биореактор.
Подготовленный субстрат загружался в биореактор. Субстрат перемешивался периодически в течение всего цикла при помощи электрической мешалки. Биогаз накапливался первоначально в реакторе. Далее накопленный биогаз в реакторе, проходя гидрозатвор, поступал в малый газгольдер и, вытесняя воду, накапливался в нем. Гидрозатвор препятствует обратному проникновению биогаза в биореактор. Образующийся биогаз перекачивается из малого газгольдера принудительно, при помощи компрессора в газгольдер (хранилище газа). На газгольдере имеется выпускной клапан для обеспечения безопасной работы. Удаление биоудобрения осуществляется через выпускной кран на емкости.
Результаты и обсуждение . Для выявления влияния препарата Мефосфон на выход биогаза и получения биоудобрений проводили второй эксперимент (вариант №2). Также были взяты экскременты той же коровы с добавлением к нему препарата Мефосфон. Влияние препарата Мефосфон на процесс анаэробного сбраживания экскрементов коровы из подсобного личного хозяйства было исследовано при концентрации 10–4 г/л. Дозы вносимого препарата определялись согласно Технологическому регламенту и по результатам предварительно проведенных экспериментов в лаборатории Казанского ГАУ. Во время испытаний вели контроль за поддержанием температуры субстрата, определяли уровень запаха испытуемого субстрата, начальную и конечную влажность экскрементов коровы, а также наличие патогенной микрофлоры в полученном продукте. Оба исследования проводились при термофильном режиме сбраживания с поддержанием рабочей температуры 50 °С с использованием следующих субстратов: эксперимент 1, экскременты коровы 50 кг (влажность 84.4%); эксперимент 2, экскременты коровы 50 кг (влажность 85 %) с добавлением 10–4 г/л препарата Мефосфон. В данном технологическом процессе при термофильном режиме сбраживания, субстрат в биореакторе в анаэробных условиях (без доступа воздуха) выдерживался в течение 10 суток, а при добавлении препарата Мефосфон, субстрат в биореакторе выдерживался 7 суток.
Результаты экспериментов представлены на рисунке 3.
Основываясь на результатах проведенных испытаний, можно отметить, что выделение биогаза без добавления препарата Мефосфон начинается в среднем на 2 - 3 день, а при добавлении его в субстрат выделение начинается на 1-2 день. Это зависит, в первую очередь, от состава исходного субстрата, от соотношения белков, жиров и углеводов, которые содержатся в субстрате.
Анализ диаграммы (рисунок 3) показывает, что в субстрате с препаратом Мефосфон максимальный выход биогаза - 0,8 м3, газовыделение наблюдается до 7 дня. Содержание метана (CH4) составляет около 75%.
С помощью программы ²EXSEL² получены графические изображения поверхностей откликов, отражающие зависимость между критерием оптимизации и двумя независимыми переменными.
На рисунке 4 приведено графическое изображение поверхностей откликов.
На рисунке 5 приведен анализ поверхностей откликов с помощью линий равного выхода (изолиний). Рассмотрение всех возможных изолиний дает наглядное представление о значениях критерия оптимизации, которые он будет принимать при варьировании уровней каждой пары факторов. Анализируя рисунок 4, видим, что на зафиксированном нулевом уровне параметра Х1 (температура) область оптимума находится в пределах K = 0,16-0,18%.
После раскодирования факторов модель объекта в физических величинах принимает вид:
где T - температура – 54,9°С;
τ - продолжительность изотермического цикла - 168 часов;
K - концентрация, 0,18 %.
Важное значение имеет математическое моделирование процесса анаэробного сбраживания органических отходов на биогазовых установках. Представлен модель Моно, описывающий процесс анаэробного сбраживания органических отходов в зависимости от удельной скорости роста микроорганизмов [18]:
(6)
где µM– максимальный удельный темп роста микроорганизмов, сут-1;
Ks– константа Моно, при которой темп роста составляет 0,5 максимума.
В реакторе идет уникальный процесс сбраживания (переработка экскрементов коровы с помощью бактерий). При добавлении в субстрат препарата Мефосфон повышается концентрация биомассы этих бактерий, а также продуктов их жизнедеятельности. Переработанное в МБУ биоудобрение приобретает новые свойства. В его состав входят все компоненты (аминокислоты, фосфор, азот, калий, макро- и микроэлементы), которые способствуют нормальному росту и развитию растению. Удачно подобранные составы микроорганизмов позволяют уменьшать расход вносимого консорциума штаммов и получить более дешевое высокоэффективное удобрения. При попадании в почву Мелафен полностью разлагается на воду и нетоксичные соединения азота и фосфора.
Баланс азота рассчитываем используя уравнение [19]:
(7)
где Ny – приход с биоудобрениями, Ny=(Nм+Nор);
NM – приход с минеральными удобрениями;
Nop – приход с органическими удобрениями;
Nc – приход с семенами;
Nб – приход от биологической фиксации;
Nб=(Nсим+Nнсим);
Nсим – приход от симбиотической фиксации;
Nнсим – приход от фиксации свободноживущими микроорганизмами;
Nро – приход с остатками растений;
Nо - поступление с атмосферными осадками.
Воздействие биоудобрений на растения начинается сразу после внесения его в почву. Такое удобрение можно применять круглогодично для комнатных и декоративных растений. Применение биоудобрений при выращивания картофеля, капусты, свеклы, моркови, баклажанов, помидоров, тыквы, малины, смородины и других овощей и ягод, а также бобовых, кормовых и газонных трав дает хороший урожай. Очень хорошо влияет на цветение декоративных цветов, таких как розы, нарциссы, астры и др.
Выводы: Животноводческие отходы являются серьезным источником загрязнений окружающей среды. Скотоводческим предприятиям необходимо проводить процедуры по их утилизации. Развитие путей конверсии отходов отталкивается от необходимости снижения экономических издержек и решения экологических проблем. Применение препарата «Мефосфон» при получении биогаза и биоудобрений из органического отхода животноводства, ускоряет процесс обеззараживания, способствует сокращению срока созревания. Это свидетельствует о наиболее глубоком метаболизме органических кислот в последнем и наиболее активном функционировании спорообразующих микроорганизмов и актиномицетов. Это также способствует более полному распаду белков, выделению аммиака и, как следствие, подщелачиванию среды до оптимальных значений. Рекомендуется применять полученный продукт на кислых почвах. Содержание фосфатов (Р2О5 – 1,4-1,5%) и калия (К2О – 1,0-1,1 %) в обоих образцах удобрений после обработки в биогазовой установке практически не отличалось.
Таким образом, в ходе обработки и брожения в биогазовой установке экскрементов коровы получено биоудобрение, соответствующее физико-химическим и санитарно-биологическим характеристикам требованиям ГОСТ Р53117-2008 «Удобрения органические на основе отходов животноводства».
Главное достоинство биогаза – способность снижать парниковый эффект. Массовое использование биогазовых установок позволяет существенно снижать выбросы углекислого газа и метана - основных провокаторов парникового эффекта в атмосфере, приводящего к негативным климатическим изменениям.
1. R. Sabirov, A. Valiev, L. Karimova, A. Dmitriev, D. Khaliullin, Influence of physical factors on viability of microorganisms for plant protection, Engineering for Rural Development, 18 (2019)https://doi.org/10.22616/ERDev2019.18.N211
2. Галиев И.Г. Классификация факторов, влияющих на работоспособность турбокомпрессоров двигателей / И.Г. Галиев, В.И. Дардымов, В.Н. Малыгин // Сборник трудов Устойчивое развитие сельского хозяйства в условиях глобальных рисков. Материалы научно-практической конференции. 2016. С. 185-189
3. Галиев И.Г. Определение весомости факторов и уровня эксплуатации тракторов / И.Г. Галиев, Р.К. Хусаинов // В сборнике Роль технических наук в развитии общества. 2015. С. 9-12
4. Сибагатуллин Ф.С. Продукты из вторичного сырья, как основа повышения урожайности сельскохозяйственных культур / Ф.С. Сибагатуллин, З.М. Халиуллина, А.М. Петров, К.О. Синяшин // В сборнике: Сельское хозяйство и продовольственная безопасность: технологии, инновации, рынки, кадры. Научные труды международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию аграрной науки, образования и просвещения в Среднем Поволжье. 2019. С. 227-231.
5. Газетдинов М.Х. Социально-трудовые аспекты хозяйственного механизма развития сельских территорий / М.Х. Газетдинов, О.С. Семичева, Ш.М. Газетдинов //Техника и оборудование для села. 2017. № 10. С. 36-39.
6. C.A. Pierce, R.J. Smernik, T.M. Mc Beath, Phosporous availability in chicken manure lower with increased stockpiling period, despite a lager orthophosphate content, Plant and Soil, 373(1-2), 359-372 (2013)
7. A. Sun, W. Cao, C.J. Banks, S. Heaven, R. Liu, Biogas production from undiluted chicken manure and maize silage: a study of ammonia inhibition in high solids anaerobic digestion, Bioresour. Technol., 218, 1215-1223 (2016)
8. Газетдинов М.Х. Особенности развития сельских территорий в условиях модернизации экономики / М.Х. Газетдинов, О.С. Семичева, Ш.М. Газетдинов // Вестник Казанского ГАУ, 2019. Т. 14. № 3 (54). С. 143-148
9. S. Sakar, K. Yetilmezsoy, E. Kocak, Anaerobic digestion technology in poultry and livestock waste treatment - a literature review, Waste Management & Research, 27(1), 3-18 (2009)
10. D.Y. Suslov, P.S. Sedyh, Experimental studies of the process of obtaining biogas from wastes from agricultural enterprises, In: International Science and Technology Conference "EastConf", 8725328 (2019)
11. V. Petric, Selimbasic, Composting of poultry manure and wheat strew in closed reactor: optimum mixture ratio and evplotion of parameters, Biodegradation, 11, 53-63 (2006)
12. D.E. Belostotskiy, V.A. Miluykov, E.E. Ziganshina, A.M. Ziganshin, M. Siniagina, E.A. Boulygina, Impact of the substrate loading regime and phosphoric acid supplementation on performance of biogas reactors and microbial community dynamics during anaerobic digestion of chicken wastes, Bioresource Technology, 193, 42-52 (2015)
13. E.E. Ziganshina, E.M. Ibragimov, P.Y. Vankov, A.M. Ziganshin, V.A. Miluykov, Comparison of anaerobic digestion strategies of nitrogen-rich substrates: performance of anaerobic reactors and microbial community diversity, Waste Management, 59, 160-171 (2017)
14. Гайфуллин И.Х. Расчет теплового баланса и обоснование параметров малогабаритной биогазовой установки с мезофильным сбраживанием субстрата / И.Х. Гайфуллин, И.И. Кашапов, Б.Г. Зиганшин, А.И. Рудаков // Вестник Казанского ГАУ, 2016, № 3 (41), сентябрь - С. 63 - 67
15. Q. Zhang, J. Hu, D.J. Lee, Biogas from anaerobic digestion processes: research updates, Renewable Energy, 98, 108-119 (2016)
16. A. Makkar, C. Parkash, J. Singh, Vermicompost and vermiwash as supplement to improve seedling, plant growth and yield in linum usitassimum l. For organic agriculture, International Journal of Recycling of Organic Waste in Agriculture, 6(3), 203-218 (2017)
17. Гайфуллин И.Х. Актуальность применения биогазовых установок в России и за рубежом / И.Х. Гайфуллин, Б.Г. Зиганшин, А.И. Рудаков, Ю.Х. Шогенов // Казань: Вестник Казанского ГАУ, 2018 - С. 71-73
18. Сибагатуллин Ф.С. Изучение процессов ферментации куриного помета под воздействием биологически активной добавки «МЕФОСФОН» / Сибагатуллин Ф.С., Халиуллина З.М., Сафиуллина А.Р., Петров А.М.,Синяшин К.О., Шулаев М.В. // Вестник Казанского ГАУ № 2, 2018, С.42
19. Сулейманов С.Р. Мониторинг и приемы повышения плодородия почв Республики Татарстан / С.Р. Сулейманов, Р.М. Низамов, Ф.Н. Сафиоллин, Н.А. Логинов // Плодородие. 2020. № 3 (114). С. 23-26.
20. Sun A, Cao W, Banks CJ, Heaven S, Liu R. Biogas production from undiluted chicken manure and maize silage: a study of ammonia inhibition in high solids anaerobic digestion. Bioresour. Technol. 218, 1215-1223 (2016)
21. Sakar S, Yetilmezsoy K, Kocak E. Anaerobic digestion technology in poultry and livestock waste treatment - a literature review. Waste management & research. 27 (1), 3-18 (2009).
22. Suslov DY, Sedyh PS. Experimental studies of the process of obtaining biogas from wastes from agricultural enterprises. In: International science and technology conference «EastConf». 8725328 (2019).
