Факультет екологічний

Кафедра: «Екотрофології»

Контрольна робота

на тему: «Методи утилізації гнойової біомаси тваринницьких комплексів»

• Зміст
• Вступ
• 1. Сировинні ресурси для виробництва біогазу та проблеми утилізації відходів тваринництва. Потенціал розміщення в Україні біогазових установок
• 2. Гній, його значення і використання
• 3. Традиційні шляхи використання гною
• 4. Біотехнологічний спосіб переробки біомаси в біогаз
• 5. Установка в Зіггервізене
• 6. Цукрова й паперова фабрики у Варнанагаре (Індія), потужність 1980 кВтэ
• 7. Біогазова установка в Лахольме
• 8. Шляхи використання продуктів біометаногенезу
• 9. Біометаногенз в Україні
• 10. Утилізація відходів тваринництва за допомогою технології вермікультивування
• 11. Переработка и утилизация сухого, густого и подстилочного навоза или помета
• Список джерел

Вступ

У 1997 році комісія Євросоюзу ухвалила стратегічний документ під назвою White Paper, в якому поставлено за мету подвоїти частку енергії, виробленої з поновлюваних джерел, з 6% у 1995 році до 12% у 2010 році.

Зважаючи на дані про наявність у європейських країнах великого потенціалу поновлюваної енергії, парламент ЄС підвищив запланований рівень до 15% у 2010 році.

Позитивні сторони використання поновлюваної енергетики та підвищення рівня енергоефективності:

* екологічні проблеми набули реального характеру, ми мусимо інвестувати кошти у зменшення викидів СО2 та інших парникових і забруднюючих газів;

* використання технологій поновлюваної енергетики та енергоефективність повинні зменшити кількість імпортованого палива та сприяти безпечному енергопостачанню;

* використання цих технологій має забезпечити нові робочі місця та підтримку місцевої економіки.

Відповіддю на таку вимогу повинно стати використання біотехнологічних методів отримання енергії (в.т.ч. електроенергії). Біотехнологія пропонує не новий, але ще не достатньо розвинений на теренах СНД, метод отримання електроенергії, як використання біогазових установок, що працюють на практично будь-яких органічних відходах.

Органічні відходи розглядаються як неприємні та шкідливі відходи. Завдяки розглядаємому в цій роботі методу утилізації проблему відходів можна буде не тільки вирішити, а й, в далекій перспективі, створити деякий попит на них (відходи).

Відходи сільгоспвиробництва акумулюють у собі величезний запас поживних речовин, необхідних для розвитку рослин. Водночас вони є неоціненним поновлюваним джерелом енергії. Енергія, що міститься у кормах, використовується сільгосптваринами з низьким коефіцієнтом засвоєння.

Так, наприклад, в організмі корови в результаті складних біохімічних процесів корми трансформуються в органічні речовини тіла тварини, у молоко, м'ясо, шкіру.

При цьому в продукти тваринництва переходить лише 16,4% усієї енергії кормів, 25,6% енергії витрачається на перетравлення і засвоєння. Решта (58%) стає надбанням гною. Саме цю енергію можна використати для отримання екологічно чистого та порівняно безпечного створення електроенергії.

На базі біогазових установок (БГУ) можна організовувати цілий комплекс по безвідходній переробці відходів. Продуктами виробництва біогазу є не тільки біогаз (що мало поступається по енергетичній цінності природному газу) а й збагачена органічними речовинами рідка фракція (що може і має стати субстратом для виробництва мікробіальних біотехнологічних продуктів) і, звичайно, тверда фракція (шлам, що без тривалої ферментації може бути субстратом для вермикультивування). Якщо комплексно підійти до проблеми утилізації органічних відходів, то можна досягти цілком безвідходного виробництва отримуючи такі продукти: електроенергія (біогаз), біогумус, білок тваринного походження (червоний каліфорнійський черв'як), біомаса водоростей (спіруліна) і інші продукти залежно від умов та потреб господарств.

Безвідходне виробництво - це давня мрія екологів, а перетворення гною на гроші - це мрія економістів.

1. Сировинні ресурси для виробництва біогазу та проблеми утилізації відходів тваринництва

При проектуванні біогазової установки виходять із того, що від однієї корови масою 500 кг у добу одержують із гноєм 4,8 кг сухої органічної речовини, з якої при 30-добовій переробці в реакторі утвориться 1,0-2,4 м3 біогазу. Еквівалентну кількість біогазу одержують із гною, виробленого протягом доби дев'ятьома свинями на відгодівлі (жива маса однієї тварини - 60 кг) або п'ятьома свиноматками. Для одержання біогазу можна також використати відходи рослинництва (солома ярових і озимих злакових культур, бурячне й картопляне бадилля, відходи переробки льону й ін.) і харчової промисловості (в. т. ч. виробництві спирту та пива). Вихід біогазу, як відомо, залежить від якості сировини, що визначається хімічним складом останнього.

При виробництві біогазу з відходів рослинництва в деяких випадках для забезпечення найбільш високої швидкості метаногенезу необхідна оптимізація співвідношення C:N.

Протягом року об'єм гнойової біомаси що підлягає видаленню на свинокомплексі в 24 тис. голів, досягає приблизно 23 тис. т твердої фракції й 110 тис. т рідкої фракції. Для забезпечення утилізації класичними методами гнойових відходів в свинокомплексі на 108 тис. голів використовувані площі складуть - 128 тис. м3 (для утилізації твердої фракції), 91 тис. м3 (мулу) й 1,7 млн. м3 (рідкої фракції), при визначенні площ, на які вноситься рідкий свинячий гній, виходять з необхідності дотримання санітарно-гігієнічних норм вмісту в рослинності нітратних форм азоту. Отримані експериментальні дані свідчать про те, що на прилягаючих до свинокомплексів площах виникає позитивний баланс деяких важких металів (міді й цинку).

У зв'язку із цим виникає необхідність розширення площ для утилізації свинячого гною, а отже, збільшення витрат на його транспортування, як альтернативу можна запропонувати введення в господарство біотехнологічних способів утилізації гнойової біомаси.

Таблиця 1 - Енергетичний потенціал органічних відходів тваринництва та птахівництва в Україні

Такі запаси біомаси створюють умови для функціонування таких кількостей БГУ в Україні:

Таблиця 2 - Потенціал розміщення в Україні біогазових установок

2. Гній, його значення і використання

Гній, органічне добриво, що складається з твердих виділень тварин звично в суміші з підстилковим матеріалом. Гній як добриво почали застосовувати з глибокої старовини. У селянських господарствах дореволюційної Росії він був основним місцевим матеріалом удобрення. У СРСР, не дивлячись на все виробництво мінеральних добрив, що збільшувалось, щорічно вивозили на поля 500 млн. т органічних добрив, в основному гною. Багато гною використовують в парниково-тепличному господарстві як біопаливо, для приготування ґрунтових сумішей, компостів.

Гній містить азот і всі елементи зольного живлення, необхідного рослинам. Органічна речовина його (основна частина сухої речовини добрива) покращує структуру ґрунту, його водний і повітряний режими, фізико-хімічні властивості (збільшує місткість поглинання і ступінь насиченості ґрунту основами). Ca і Mg, що знаходяться в гної, знижують кислотність ґрунту, а корисні мікроорганізми підвищують його біологічну активність. Гній - одне з джерел CO2, який підсилює синтез органічних речовин рослинами. Дія гною на урожай продовжується декілька років.

Гній підрозділяють на підстилковий і безпідстилковий (напіврідкий і рідкий). Зразковий хімічний склад свіжого підстилкового (солома) змішаного (від різних тварин) гною (%): 0,5 N, 0,25 P2O5, 0,6 K2O, 0,35 CaO, 0,15 MgO (при використовуванні торф'яної підстилки кількість N в гною вище, а P2O5 і K2O дещо нижчі). За стійловий період від кожної тварини одержують гною (т): коні 3-7, корови 4-9, вівці і кози 0,4-0,9, свині 0,8-2. Ефективність підстилкового гною залежить від ступеня розкладання (свіжий, напівперепрілий -- добриво для достатньо зволожених районів, що перепрів -- добриво для посушливих районів і перегній -- для парниково-тепличних грунтосумішей, органо-мінеральних сумішей, мульчування посівів), способів його приготування і зберігання. Гній у добре ущільнених штабелях, укладений в гноєсховищі (анаеробний спосіб зберігання), втрачає менше азоту, ніж в рихлих штабелях (спосіб аероба). Для швидкого приготування гною застосовують комбінований спосіб (поєднання двох перших). При цьому напівперепрілий гній одержують через 1,5-2 міс, перепрілий -- через 4-5 міс, при анаеробному способі відповідно через 3-4 і 7-8 міс. Підстилковий гній вносять гноєрозкидачем перед оранкою під найцінніші культури сівозміни: у польовому -- під зернові (пшениця, жито, 15-25 т/га) або просапні (картопля, кукурудза, 20-40 т/га); у овочевому -- під огірки, капусту, ранню картоплю (35-50 т/га); у кормовому -- під кукурудзу, коренеплоди (20-40 т/га); у сівозмінах з технічними культурами -- під цукровий буряк, коноплі, тютюн (30-50 т/га). Кожна тонна Н. підвищує урожай всіх культур сівозміни (у перерахунку на зерно) на 1-2 ц з 1 га.

Безпідстилковий напіврідкий гній містить 86-90% води і приблизно стільки ж, скільки в свіжому солом'яному гної живильних речовин. Його вивозять в цистернах на поля і заорюють, компостують з торфом, соломою, землею. Безпідстилковий рідкий гній одержують в крупних відгодівельних господарствах і комплексах, в яких для очищення приміщень застосовують гідрозмив. Вологість рідкого гною 95-96%, вміст живильних речовин в 2-3 рази нижчий, ніж в напіврідкому. Зберігають його в місткостях. Після відстоювання рідку фракцію розбавляють водою і розчином поливають кормові культури, тверду фракцію заорюють в грунт. Рідкий гній застосовують як добриво і без розділення на фракції. За кордоном, зокрема в США, частину підстилкового гною переробляють в сухій гній (вологість 15-25%), який використовують в основному в декоративному садівництві.

3. Традиційні шляхи використання гною

Традиційний шлях утилізації гною - використання його для поліпшення ґрунтової родючості. У гнойовій біомасі утримується велика кількість азоту, фосфору й калію, а також органічних речовин. Крім того, внесення гною в ґрунт значно підвищує її енергоємність, що є одним з факторів, що сприяють збільшенню збору наземної біомаси з одиниці земельної площі, а також підвищенню біоситетичної активності аутотрофних організмів. Поряд із цим строге дотримання санітарно-гігієнічних і екологічних вимог, а також необхідність підвищення рентабельності галузі накладають певні обмеження на широке використання гною як добрива. Так, мікроорганізми що утримуються в гної, мають здатність довго зберігатися в зовнішньому середовищі і є потенційними збудниками хвороб людини й тварин, а також можуть бути причиною виникнення епідемій і епізоотії.

Забезпечення ветеринарно-санітарного благополуччя досягається за рахунок знезаражування відходів тваринництва термічною стерилізацією при високій температурі, що є енергоємним заходом і у зв'язку із цим з економічної точки зору недоцільним. Значні витрати на використання свинячого гною як добриво складаються з витрат на його видалення, транспортування, зберігання й використання в рільництві. Одночасно варто мати на увазі, що до складу рідкого свинячого гною входять екскременти, кормові залишки й технологічна вода; вміст сухої речовини залежно від ступеня розведення становить тільки 1-10%.

Утилізація гною шляхом інтенсифікації процесів мінералізації органічних речовин у ґрунті або водоймах також вимагає значних капіталовкладень, енергетичних витрат на механічне очищення рідкого гною. Так, вартість очисних споруд (при недостатній надійності їхньої роботи) становить 20-25% суми, витраченої на спорудження великих свинокомплексів.

Включення гною в раціон сільськогосподарських тварин як спосіб його утилізації. З ветеринарно-санітарної точки зору немає достатньої кількості переконливих даних для однозначної оцінки якості продукції, отриманої від тварин, у раціон яких вводили ту або іншу кількість переробленого гною. При цьому є всі підстави припускати, що при тривалому використанні, як компоненту раціону, переробленого гною в продуктах тваринного походження зросте зміст важких металів, антибіотиків і інших чужорідних речовин (ксенобіотиків), більшість з яких є токсичними. Гній, що вводять у раціон, попередньо висушується й знезаражується, а при наявності підстилки - подрібнюється, це вимагає спеціального устаткування і є енергоємним процесом. Не можна не зважати на соціально-психологічну сторону проблеми, що виникає при споживанні продукції, отриманої від тварин, одним з компонентів раціону яких був гній. Все разом взяте є причиною того, що утилізація гною за допомогою прямого рециклювания застосовується в обмежених масштабах.

Недоліки, властивим традиційним способам утилізації гною, є причинами, що обумовили пошук нових шляхів утилізації й знешкодження гною, які задовольняли б санітарно-гігієнічним вимогам, забезпечували екологічне благополуччя й були рентабельними з погляду рівня собівартості виробленої основної продукції.

4. Біотехнологічний спосіб переробки біомаси в біогаз

Біомаса відноситься до поновлюваних джерел енергії. Протягом року виробляється кількість біомаси, з якої можна одержати 26,65 Твт енергії.

Перетворення енергії хімічних зв'язків біомаси, і насамперед гною, в енергію хімічних зв'язків метану, що входить до складу біогазу, досягається за рахунок ферментних реакцій, що забезпечують життєдіяльність метаноутворюючих мікроорганізмів в анаеробних умовах. Процес одержання метану зі складних органічних сполук біомаси (вуглеводів, білкових речовин, нуклеїнових кислот, ліпідів) зветься метаногенез й протікає в три етапи.

На першому етапі за допомогою гідролаз, синтезованих грамнегативними неспороутворюючими анаеробними мікроорганізмами, здійснюється розкладання високомолекулярних біополімерних з'єднань (вуглеводів, білків, нуклеїнових кислот) і ліпідів до низькомолекулярних органічних речовин (моно- і олігоцукридів, амінокислот і пептидів різного ступеня складності, пурінових і пірімідінових азотистих основ, гліцерину й різних карбонових кислот), а також діоксиду вуглецю й водню.

На другому етапі метаногенезу з отриманих на першому етапі продуктів, (за винятком оцтової кислоти, диоксида вуглецю й водню), при участі кислотоутворюючих мікроорганізмів утворяться різні органічні кислоти, які потім окисляються головним чином до ацетату й диоксиду вуглецю. Крім того, на цій стадії утворяться водень, аміак і сірководень.

На третьому етапі за участю ферментів, продукуємих анаеробними споро- і неспороутворюючими сарцино- і сарциноподібними мікроорганізмами, відбувається остаточне перетворення органічних речовин у метан і діоксид вуглецю. На останньому етапі метаногенеза з отриманих діоксиду вуглецю й водню утвориться деяка кількість метану й води.

Рисунок 1 - Узагальнена схема біогазової установки: 1 - ферма; 2 - гноєприймач; 3 - насос; 4 - метантенк; 5 - газгольдер; 6 - теплообмінник; 7 - казан; 8 - сховище

До складу природного співтовариства мікроорганізмів, що здійснють процес метаногенезу, входять різноманітні види анаеробних мікроорганізмів, завдяки чому біомаса різного походження може служити вихідною сировиною для одержання біогазу.

5. Установка в Зіггервізене

Біологічне сміття, попередньо розсортоване, попадає на ручну або механічну переробку, потім у метантенк, де виробляється біогаз.

Цей біогаз іде на проміжне зберігання в газгольдер, а звідти подається вентилятором у газові двигуни. У такий спосіб 350 м3/год біогаза перетвориться в електричну енергію, пару й гарячу воду. Крім того, на цих газових двигунах здійснюється використання газу, що утворюється на смітнику, що після десульфурації подається в газозбірник.

Вироблена енергія використовується для теплоенергоспоживання установки по переробці відходів, що також входить до складу цього підприємства. Після вироблення газу маса, що залишилася, переробляється в компост і служить для виробництва добрив.

6. Цукрова й паперова фабрики у Варнанагаре (Індія), потужність 1980 кВтэ

Безперервне енергопостачання цукро-рафінадного заводу й паперової фабрики у Варнанагаре (Індія) забезпечується за допомогою трьох газових двигунів. Необхідний для цього газ на 75% виходить із відпрацьованої води цукрової фабрики. Інші 25% газу виробляються зі стічних вод паперової фабрики. За допомогою процесу шумування обох видів відходів у двох окремих біореакторах виникає біогаз, що в основному складається зі СН4 (60...65…65%) і S2 (35...40…40%) Біогаз, одержуваний з відпрацьованої води цукро-рафінадного заводу містить велику кількість сірководню (Н2S), що видаляється на установці десульфурації.

Обидва гази з'єднуються в газонакопичувачі. Таким чином, щодня одержують приблизно 22 000 м3 біогаза.

7. Біогазова установка в Лахольме

На біогазову установку в Лахольме (Швеція) щорічно надходить приблизно 30000 т гною й 5000 т органічних відходів з боєнь і інших промислових підприємств.

Для придушення збудників хвороб біомаса пастеризується, тобто вона нагрівається протягом години при температурі 70° С. Пастеризована біомаса подається в реакторний бак ємністю 2250 м3, де відбувається процес її гниття. Там біомаса залишається протягом 20...25…25 днів. Процес гниття йде при температурі 38° С. При цих умовах бактерії перетворять 40...50…50 % органічного матеріалу біомаси в горючий біогаз, що, як правило, містить 60...70…70 % чистого метану.

Сірководень з біогазу видаляється шляхом хімічної очистки. Після цього газ стискається до тиску приблизно 1 бар й сушиться. Таким чином, протягом 24 годин щодня одержують приблизно 3000…4000 м3 газу, що відповідає об'єму 2000…2500 літрів нафти.

По газопроводу, довжиною приблизно в 2 кілометри, біогаз подається в район новобудов. Електроенергія потужністю 450 квт перетворюється за допомогою трансформатора в електрику напругою 20 кв і подається в суспільну енергомережу.

8. Шляхи використання продуктів біометаногенезу

Продуктами біометаногенезу є: тверда фракція (шлам), рідка фракція, біогаз. Шлам - це цінне добриво, що позбавлене шкідливих мікроорганізмів, яєць гельмінтів і інших небажаних домішок. Шлам, на відміну від гною не має запаху. Рідка фракція відповідає гігієнічним нормам і придатна до скидання в каналізаційну систему без попередньої очистки, але на основі цієї багатої на поживні речовини рідини можна починати виробництво широкого спектру інших біотехнологічних продуктів. Завдяки своїй високій поживності рідку фракцію можна використовувати як добриво.

Як і звичайний природний газ біогаз є джерелом енергії. Його можна використовувати для заправки автомобілів (що працюють на метані), обігріву житлових комплексів, та отриманні електроенергії. Останній метод використання біогазу є найприбутковішим, з 1 м3 біогазу можна отримати 1,6…2,3 квт/год електроенергії.

9. Біометаногенз в Україні