Переработка животноводческих отходов в биогаз и удобрения

Контрольная работа по теме:

Переработка животноводческих отходов в биогаз и удобрения

Биогаз как нетрадиционный источник энергии

История

Состав и качество биогаза

Сырьё для получения

Экология

Производство

Применение биогаза

Потенциал и перспективы

Вывод

Список литературы

Биогаз как нетрадиционный источник энергии

Такие потрясения, как энергетический кризис 1973 г. и Чернобыльская катастрофа 1986 г., заставили большинство стран пересмотреть свою энергетическую политику в отношении темпов и перспектив использования возобновляемых источников энергии (ВИЗ).

Стало ясно, что недостаточно развить экологически чистую энергетику только в своей стране, когда соседние страны продолжают строительство и эксплуатацию атомных объектов, подобных по надежности четвертому блоку Чернобыльской АЭС. Необходимо объединение усилий ученых разных стран в области развития нетрадиционной энергетики.

Отрицательные тенденции развития традиционной энергетики обусловлены в основном наличием двух факторов — быстрым истощением природных ресурсов и загрязнением окружающей среды. Поданным ООН, истощение залежей угля предполагается в 2082;2500 гг.

Перспективные технологии традиционной энергетики повышают эффективность использования энергоносителей, но не улучшают экологическую ситуацию: тепловое, химическое и радиоактивное загрязнение окружающей среды может привести к катастрофическим последствиям.

В связи с этим возникает необходимость выявления возможностей рационального использования ресурсов традиционной энергетики с одной стороны и развитие научно-технических работ по использованию нетрадиционных и возобновляемых источников энергии — с другой.

В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 70% метана, и обеззараженных органических удобрений. Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей биогазовых технологий.

Биогаз — это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в специальных реакторах — метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал. Однако биогаз получают из жидкой массы, содержащей 95% воды, так что на практике выход достаточно трудно определить. Другое, и очень важное, достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

История

Человечество научилось использовать биогаз давно. В 1 тысячелетии до н.э. на территории современной Германии уже существовали примитивные биогазовые установки. Алеманам, населявшим заболоченные земли бассейна Эльбы, чудились Драконы в корягах на болоте. Они полагали, что горючий газ, скапливающийся в ямах на болотах — это дыхание Дракона. Чтобы задобрить Дракона, в болото бросали жертвоприношения и остатки пищи. Люди верили, что Дракон приходит ночью и его дыхание остаётся в ямах. Алеманы додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото, отводить газ по кожаным же трубам к своему жилищу и сжигать его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал эту проблему.

В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 году сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.

Первая задокументированная биогазовая установка была построена в Бомбее, Индия в 1859 году. В 1895 году биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930 году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.

Состав и качество биогаза

Биогаз состоит из 50−87% метана, 13−50% CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан — полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.

Поскольку только метан поставляет энергию из биогаза, целесообразно, для описания качества газа, выхода газа и количества газа все относить к метану, с его нормируемыми показателями. Объем газов зависит от температуры и давления. Высокие температуры приводят к расширению газа и к уменьшаемому вместе с объемом уровню калорийности и наоборот. Кроме того, при возрастании влажности калорийность газа также снижается. Чтобы выходы газа можно было сравнить между собой, необходимо их соотносить с нормальным состоянием (температура 0 °C, атмосферное давление 1,1 325 bar, относительная влажность газа 0%). В целом данные о производстве газа выражают в литрах (л) или м3 метана на кг органического сухого вещества (оСВ), это намного точнее и красноречивее нежели данные в м3 биогаза в м3 свежего субстрата.

Сырьё для получения

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза довольно обширен: навоз, птичий помёт, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля — технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов — очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа.

Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 300 мі из 1 тонны.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50−65 мі биогаза с содержанием метана 60%, 150−500 мі биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза — это 1300 мі с содержанием метана до 87% - можно получить из жира.

Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950;70-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20−30% от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычно установке с 60% до 95%.

В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа.

На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстроразлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить.

Раньше, когда не было науки о биогазе и биогаз ассоциировался с навозом, применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться.

Экология

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана — лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Остаток, образующийся в процессе получения биогаза, или как его еще называют — шлам — содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения. Состав остатка, полученного при анаэробной переработке животноводческих отходов, зависит от химического состава исходного сырья, загружаемого в реактор. В условиях, благоприятных для анаэробного сбраживания, обычно разлагается около 70% органических веществ, а 30% содержится в остатке.

Основное преимущество анаэробного сбраживания заключается в сохранении в органической или аммонийной форме практически всего азота, содержащегося в исходном сырье.

Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Производство

Существуют промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространённый промышленный метод — анаэробное сбраживание в метантенках.

Хорошая биогазовая установка должна иметь необходимые части:

Емкость гомогенизации Загрузчик твердого (жидкого) сырья Реактор Мешалки Газгольдер Система смешивания воды и отопления Газовая система Насосная станция Сепаратор Приборы контроля КИПиА с визуализацией Система безопасности Принцип работы установки.

Биомасса (отходы или зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35−38°С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен, рис. 1.

Рис. 1

биогаз органический отходы анаэробное сбраживание Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например, с навозом или силосом.

Факторы, влияющие на процесс брожения Температура Влажность среды Уровень рН Соотношение C: N: P

Площадь поверхности частиц сырья Частота подачи субстрата Замедляющие вещества Стимулирующие добавки Температура.

Метановые бактерии проявляют свою жизнедеятельность в пределах температуры 0−70єС. Если температура выше они начинают гибнуть, за исключением нескольких штаммов, которые могут жить при температуре среды до 90єС. При минусовой температуре они выживают, но прекращают свою жизнедеятельность. В литературе как нижнюю границу температуры указывают 3−4єС.

Площадь поверхности частиц сырья.

Принципиальным является, что чем меньше частички субстрата, тем лучше. Чем больше площадь взаимодействия для бактерий и чем более волокнистый субстрат, тем легче и быстрее бактериям разлагать субстрат. Кроме того, его проще перемешивать, смешивать и подогревать без образования плавающей корки или осадка. Измельченное сырье имеет влияние на количество произведенного газа через длительность периода брожения. Чем короче период брожения, тем лучше должен быть измельчен материал.

При достаточно длительном периоде брожения количество выработанного газа снова увеличится. При использовании измельченного зерна этого уже удалось достичь через 15 дней.

Применение биогаза

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании — биогаз занимает до 18% в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия — 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

Развивающиеся страны.

В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи.

Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае — более 10 млн. (на конец 1990;х). Они производят около 7 млрд. мі биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн. крестьян. В конце 2010 года в Китае действовало уже около 40 млн. биогазовых установок. В биогазовой индустрии Китая заняты 60 тысяч человек.

В Индии с 1981 года до 2006 года было установлено 3,8 млн малых биогазовых установок.

В Непале существует программа поддержки развития биогазовой энергетики, благодаря которой в сельской местности к концу 2009 года было создано 200 тысяч малых биогазовых установок.

Автомобильный транспорт.

Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна. По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10% автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.

Муниципалитет Осло в начале 2009 года перевёл на биогаз 80 городских автобусов. Стоимость биогаза составляет € 0,4 — € 0,5 за литр в бензиновом эквиваленте. При успешном завершении испытаний на биогаз будут переведены 400 автобусов.

Потенциал и перспективы

В США выращивается около 8,5 миллионов коров. Биогаза, получаемого из их навоза, будет достаточно для обеспечения топливом 1 миллиона автомобилей.

Потенциал биогазовой индустрии Германии оценивается в 100 миллиардов кВт/ч энергии к 2030 году, что будет составлять около 10% от потребляемой страной энергии.

В России агрокомплекс ежегодно производит 773 миллиона тонн отходов, из которых можно получить 66 миллиардов кубометров биогаза, или около 110 миллиардов кВт*ч электроэнергии. Общая потребность России в биогазовых заводах оценивается в 20 тысяч предприятий.

В 2012 — 2013 годах планируется ввести в эксплуатацию более 50 биогазовых электростанций в 27 регионах России. Установленная мощность каждой станций составит от 350 кВт до 10 МВт. Суммарная мощность станций превысит 120 МВт. Общая стоимость проектов составит от 58,5 до 75,8 млрд рублей (в зависимости от параметров оценки). Реализацией данного проекта занимаются ГК «Корпорация «ГазЭнергоСтрой» и Корпорация «БиоГазЭнергоСтрой».

На территории некоторых районов Республики Татарстан с развитым животноводством будет организована переработка навоза и птичьего помета с производством биогаза и биоудобрений. Производства будут размещаться вблизи крупнейших производителей мяса и птицы животноводческих комплексов компании «Красный Восток Агро» в районах Алькеевском, Алексеевском, Верхнеуслонском, Зеленодольском с большим поголовьем КРС и птицеводческих хозяйств «Ак Барс — Пестрецы» и «Казанская» Холдинговой компании «Ак Барс». — Сабинский муниципальный район Республики Татарстан, АГ «Алтын Саба», где планируется начать строительство биогазовых станций в животноводческом комплексе на 15 тыс. голов свиней, совместно с чешскими компаниями; - Тукаевский муниципальный район Республики Татарстан, ООО «Камский бекон», где планируется привлечение иностранных инвесторов на строительство биоэнергетических установок на свиноводческих комплексах; - Буинский муниципальный район Республики Татарстан, где в одном из хозяйств запланировано в этом году построить демонстрационную биогазовую установку с созданием учебного центра;

Апастовский муниципальный район Республики Татарстан, ООО «СХП им. Рахимова», ОАО «Татфондбанк», где запланирована утилизация навоза и других органических отходов с получением биогаза с помощью биоэнергетического комплекса на строящемся животноводческом комплексе с поголовьем крупного рогатого скота более 3 тысяч голов, в том числе 1200 голов дойных коров. Актуальность утилизации навоза связана с тем, что его складирование на полях ведет к заражению почв, а использование его в качестве удобрений после компостирования возможно только через 2 — 3 года. В результате реализации проекта на указанных комплексах ежегодно будет вырабатываться около 53 млн. куб. м биогаза (27 — 37 млн. куб. м метана), 416 тыс. т твердого и 303 тыс. куб. м жидкого биоудобрения. Переработка навоза и помета решает проблему его складирования, снижает риск загрязнения почв, позволяет обеспечивать газом некоторые предприятия агропромышленного комплекса и производить доступные для местных хозяйств высококачественные биоудобрения. Кроме перечисленных программных мероприятий, имеется предложение Центра энергосберегающих технологий Республики Татарстан при Кабинете министров Республики Татарстан, который разработал технологию получения биогаза на собственных БГУ.

Вывод

Биогаз если не полностью, то хотя бы частично может обеспечить потребности сельских жителей, владельцев дачных и садовых участков в топливе. Очень хорошо он подходит и в качестве альтернативного и экологичного топлива для различного автотранспорта. Кроме того, при производстве биогаза отходы полностью идут в дело, в результате не только улучшается санитарное состояние территории, уничтожаются возбудители инфекционных заболеваний, исчезает неприятный залах гниющих растений, гибнут семена сорняков, но и образуются ценнейшие высококачественные органические удобрения, обладающие повышенным гумусным потенциалом.

1. В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер Биогаз. Теория и практика.

2. Barbara Eder. Heinz Schulz. 1996. Перевод на рус. Биогазовые установки. Практическое пособие.

3. Целевая программа «Развития биотехнологий в РТ на 2010;2020 годы».