Использование отходов животноводства в энергетических целях
ТАЛЛИНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Анастасия Гилязиева, 143399
Использование отходов животноводства в энергетических целях
Преподаватель: А. Згуро, лектор
1. ОТХОДЫ ЖИВОТНОВОДСТВА 4
2. НЕГАТИВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ 5
3. ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА 6
4.1. Технология анаэробного сбраживания отходов животноводства 7
4.2. Переработка методом термохимической газификации 12
4.3. Биоэнергетические методы утилизации 13
5. БИОГАЗ ИЗ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА 15
5.1. Состав биогазовой смеси 16
5.2. Использование биогаза 18
5.3. Преимущества и недостатки биогаза 20
6. ОТХОДЫ ЖИВОТНОВОДСТВА В ЭСТОНИИ 21
6.1. Заводы по переработки отходов животноводства в Эстонии 21
7. ЕВРОДЕРЕКТИКВА ПО ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМ ИСТОЧНИКАМ ЭНЕРГИИ И ЭСТОНСКОЕ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО 23
Введение
Сельское хозяйство создаёт большее воздействие на природную среду, чем любая другая отрасль. Отходы животноводства являются опасными загрязнителями окружающей природной среды, создающими напряженную санитарно-гигиеническую обстановку и могущими отрицательно влиять на здоровье населения. Животноводческие отходы, особенно жидкие, во время ливневых дождей и весеннего паводка смываются в водоемы, приводя к гибели водной флоры и фауны. Отходы содержат различные формы азота, фосфора, калия, серы и других соединений, обладающих высокой токсичностью. Накапливаясь в местах сбросов, они становятся более мобильными и, проникая в воду, разносятся на большие расстояния.
Загрязнение окружающей среды животноводческими предприятиями чаще всего происходит из-за несовершенства применяемых технологий и технических средств, несоблюдения установленных экологических требований.
Наиболее простой способ снижения негативного воздействия на природу — модернизация и обновление технологического оборудования в подразделениях, внесение изменений в организацию хозяйственной деятельности, соответствующих современным экологическим нормам.
Это возможно путём внедрения малоотходных и безотходных технологий, основанных на включение в хозяйственный оборот всех сырьевых ресурсов, которые постоянно образуются и накапливаются в хозяйствах. Уменьшая объёмы органических отходов, газопылевых выбросов, потребления воды и сбрасывания сточных вод, можно снижать негативное воздействие на окружающую среду.
Во многих странах действуют общегосударственные и региональные программы по уменьшению отрицательного давления этих отходов на экологию.
Животноводство является наиболее отходной отраслью сельского хозяйства. Отрасли животноводства подразделяются на свиноводство, коневодство, скотоводство, овцеводство и т. д. К отходам относятся, отходы образовавшиеся в результате жизнедеятельности сельскохозяйственных животных, это навоз скота, а также трупы животных.
Значительное разнообразие технологий содержания животных, способов уборки животноводческих помещений, климатических условий приводит к получению различного вида навоза. Получаемый навоз сельскохозяйственных животных разделяют на:
-
подстилочный (навоз с подстилкой и кормовыми остатками) бесподстилочный (навоз без подстилки с добавкой воды или без нее).
Бесподстилочный навоз подразделяется на:
-
полужидкий (содержит более 8 – 14 % сухого вещества) жидкий (от 3 до 8 % сухого вещества) навозные стоки (менее 3 % сухого вещества).
Большинство отходов животноводства перед использованием или утилизацией хранят в кучах, в накопительных емкостях или ямах. В течение хранения образуются продукты анаэробного разложения: аммиак, сульфиды, амины, метан, меркаптаны, органические кислоты и др., которые могут загрязнять воздух веществами, вредно воздействующими на человека, растения и животных. [2]
Большое количество образующихся отходов в животноводстве объясняется биологическими процессами, в результате которых животные испражняются каждый день, образуя при это значительное количество помета и навоза. Так, например, корова ежедневно производит от 40 – 50 кг навоза, свинья 10 – 11 кг, в год в результате жизнедеятельности одной коровы образуется 14,5 – 18 т. навоза, свиньи 3,6 – 4 т. навоза.
В настоящее время существует множество способов и решений по использованию отходов животноводства, например, компостирование, вермикомпостирование.
А также в свете стремительного удорожания минеральных ресурсов, отходы животноводства начинают рассматривать как перспективное альтернативное топливо. Из отходов животноводства можно получить биогаз. Биогазом называется горючая газовая смесь, которая выделяется при разложении органических веществ в результате анаэробного микробиологического процесса (метанового брожения). Возможности использования биогаза велики. Его можно использовать в качестве топлива, предварительно очистив до качества природного газа; в качестве источника для получения тепловой и электрической энергии. [2]
Негативное воздействие отходов животноводства на окружающую среду
Основными источниками загрязнения окружающей среды (воздух, почва, вода) от животноводческих комплексов и ферм являются воздушные выбросы и жидкие стоки. Воздушные выбросы животноводческих ферм оказывают существенное влияние не только на атмосферу, но и на поверхностные воды. На животноводческих комплексах, особенно свиноводческих, основным источником загрязнения окружающей атмосферы являются помещения для содержания животных. Запах от животных действует на людей раздражающе, хотя считается безвредным. Неприятные запахи распространяются в радиусе 5-17 км. Как правило, экологический мониторинг состояния атмосферного воздуха в зонах влияния животноводческих объектов не проводится, тем не менее, влияние на окружающую природную среду токсических газов от 18 животноводческих комплексов можно оценить при помощи биологических объектов в частности растений, произрастающих вблизи них. [4]
Таб. 1 Состояние атмосферного воздуха в зонах влияния животноводческих объектов (содержание NH3 в воздухе). [4]
В районе размещения сильно загрязняется патогенными микроорганизмами и гельминтами почва сельскохозяйственных полей, орошаемая сточными водами. В сточных водах животноводческих хозяйств, особенно свиноводческих, обнаруживаются различные патогенные и условнопатогенные микроорганизмы, а именно: энтерококки, стафилококки, псевдомонады, гемофильные палочки. При попадании сточных вод в водоемы возбудители инфекций могут переноситься с потоком речной воды на расстояние до 200 км, потребление воды из таких водоемов вызывает у людей и животных кишечно-желудочные и другие заболевания. [4]
Следовательно, необходимо развивать технологии обезвреживания отходов животноводства и их переработки с получением полезной энергии и новых продуктов.
Технологии переработки отходов животноводства
Для переработки отходов животноводства и обеспечения биотехнологического процесса разложения органических составляющих с получением полезной энергии и продуктов применяются в основном: анаэробное сбраживание, компостирование, термохимическая обработка, вермикомпостирование и комплексные технологии.
Рис. 1 Технологии переработки отходов животноводства [4]
Технология анаэробного сбраживания отходов животноводства
Технология анаэробного метанового сбраживания в части обращения органических веществ позволяет создать систему замкнутого цикла: растениеводство — корма и пищевые продукты — отходы — анаэробная переработка — растениеводство. В такой схеме сельское хозяйство обеспечивается удобрениями и кормами, а производство при полезной утилизации метана — сырьем и энергией. При этом резко снижаются выбросы вредных веществ в окружающую среду. Снижается использование невозобновляемых природных ресурсов.
Анаэробная переработка считается перспективным методом и представляет большой практический интерес по переработке органических отходов животноводства, поскольку ускоряет его разложение в 10. В результате процесса сбраживания распаду подвергаются органические вещества, содержащиеся в навозе, с образованием газообразных продуктов в виде смеси 50 ч 70 % метана и 30ч50% углекислого газа. [3]
Другими словами, микроскопические бактерии, потребляя органические вещества, содержащиеся в биомассе и биологических отходах, выделяют горючий газ. Но даже при самых благоприятных условиях выделение горючего газа происходит не сразу – вначале нужен процесс ферментации биомассы, разложение которой происходит в несколько этапов за определенные периоды времени.[10]
Метановое сбраживание приводит к минерализации биогенных веществ (азот, фосфор, калий), и, практически, к полной утилизации без попадания в окружающую среду. Биометаногенез позволяет перерабатывать органические вещества с более высокими нормами нагрузки, чем при аэробной обработке, не требует применения химических реагентов для разложения органического вещества. Сброженный шлам, полученный в процессе переработки, лишен неприятного запаха и готов к непосредственному внесению в почву. Процесс анаэробной обработки навоза подразделяется на четыре взаимосвязанные стадии, осуществляемые разными группами бактерий:
1. Стадия ферментативного гидролиза осуществляется быстрорастущими факультативными анаэробами, выделяющими экзоферменты, при участии которых осуществляется гидролиз нерастворенных сложных органических соединений с образованием более простых растворенных веществ. Оптимальное значение pН для развития этой группы бактерий находится в интервале 6,5-7,5.
2. Стадия кислотообразования (кислотогенная) сопровождается выделением летучих жирных кислот, аминокислот, спиртов, а также водорода и углекислого газа. Стадия осуществляется быстрорастущими, весьма устойчивыми к неблагоприятным условиям среды гетерогенными бактериями.
3. Ацетатогенная стадия превращения летучих жирных кислот, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту осуществляется двумя группами ацетатогенных бактерий. Первая группа, образующая ацетаты с выделением водорода из продуктов предшествующих стадий, называется ацетатогенами, образующими водород.
4. Метаногенная стадия, осуществляемая медленнорастущими бактериями, являющимися строгими анаэробами, весьма чувствительными к изменениям условий среды, особенно к снижению pН менее 7,0 — 7,5 и температуры. [4]
Рис. 2 Стадии анаэробного разложения отходов животноводства [5]
В переработке принимают участие 5 групп бактерий. В основном принадлежат ферментативные бактерии – Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Clostridium, они исполняют этапы ферментативного гидролиза и кислотообразования. Все бактерии обладают быстрым ростом. Микроорганизмы выделяют экзоферменты, которые осуществляют гидролиз, разложение сложных соединений на простые. Размножение бактерий происходит при наличии питательной среды, в которую входят углерод и кислород.
Рис. 3 Схема биогазовой установки в упрощённом варианте. 1-сборник сырья, 2- мешалка, 3- теплообменник-утилизатор, 4-метантенк, 5- мешалка, 6- теплообменник-подогреватель, 7- газгольдер, 8- котел, 9-навозохранилище. [11]
Навозные стоки влажностью 90-93% (исходное сырьё) поступают в сборник сырья, оборудованный мешалкой – гомогенизатором, где доводятся до однородной консистенции и заданной кислотности. При этом из полученной массы удаляются крупные примеси. Далее, проходя через теплообменник – утилизатор, исходное сырьё подогревается и подаётся в метантенк, где происходит процесс анаэробного сбраживания. Для активного брожения необходимо периодическое перемешивание перерабатываемой массы и поддержание заданной температуры внутри метантенка.
Существует три режима брожения:
-
Психрофильный — при температуре 15-25°С; Мезофильный – при температуре 30-40°С; Термофильный – при температуре 45-55°С. [11]
Экономически, технически и экологически наиболее эффективным является термофильный режим в сочетании с высокопроизводительной микрофлорой, что позволяет сократить время сбраживания до 5-7 суток.
Таб. 2 Сравнительные показатели анаэробной переработки отходов животноводства [4]
Для поддержания температуры в метантенке установлен теплообменник-подогреватель, в который подаётся горячая вода от водогрейного котла. Метантенк заполняется навозной массой на 80% объёма. В верхней, незаполненной части скапливается биогаз, который постоянно отбирается и подаётся в газгольдер, где временно хранится. Из газгольдера биогаз поступает в топку котла, а затем на выход, для дальнейшего производственного использования. Сброженный остаток, выходящий из метантенка, имеет температуру режима брожения. В теплообменнике он отдаёт тепловую энергию исходному сырью и поступает в навозохранилище. [9]
Применение технологии анаэробного сбраживания биоразлагаемых отходов позволяет решить следующие задачи:
-
Внедрение комплексных природоохранных мероприятий по сокращению токсичных выбросов в атмосферу, почвенную и водную среду; Получение сельскохозяйственным предприятием прибыли за счет использования биогаза для выработки электрической и тепловой энергии, реализации органических удобрений со стабильными свойствами (отсутствие запаха и повторного загнивания), причем 1 л жидкого концентрированного удобрения эквивалентен 100 кг навоза; Повышение надежности и безопасности в энергосбережении животноводческих ферм и птицефабрик путем использования собственного возобновляемого источника энергии; Повышение плодородия почв и повышение урожаев с кормовых площадей сельскохозяйственных предприятий за счет внесения своих удобрений, являющихся источником не только биогенных элементов, но и гуминовых веществ.
Переработка методом термохимической газификации
В навозе, помете, растительных остатках, отходах деревообработки, кроме химических веществ, заключено большое количество солнечной энергии, перешедшей в растения при фотосинтезе. Поэтому это сырье нужно рассматривать как возобновляемые источники энергии. Одним из наиболее эффективных способов получения энергии из такого сырья является термохимическая газификация.
Газификация характеризуется повышенным энергопотенциалом. По сравнению с анаэробным сбраживанием термохимическая газификация генерирует из единицы сырья больше потенциальной энергии. Так, из 1 т свиного навоза или навоза КРС при термохимической газификации можно получить 440кВтч потенциальной энергии, тогда как при анаэробном сбраживании с получением биогаза 250кВтч.
Газификация представляет собой процесс высокотемпературного превращения биомассы в газ, называемый генераторным или синтетическим, и золу в специальных реакторах (газогенераторах) с ограниченным доступом воздуха. В зоне газификации развивается температура до 1500оС. В сочетании с мгновенной закалкой синтезгаза это обеспечивает отсутствие в нем каких-либо токсичных примесей. Благодаря этому, а также удобству применения газа, газификация является более эффективным и чистым процессом, чем обычное сжигание.
Произведенный в газогенераторе газ используется как обычное котельное топливо взамен природного газа или как моторное топливо для газопоршневых установок, где сжигается с получением электрической и тепловой энергии до безопасных для окружающей среды газов: CO2, N2, водяного пара. Он может быть также использован в качестве сырья для получения дизельного топлива. В газогенераторе можно использовать отходы дерева, кору, низкокалорийные растительные отходы, навоз, помет, содержащие высокий процент влаги (до 40%). Попутно при газификации навоза/помета образуется зола, являющаяся ценным комплексным минеральным удобрением. [15]
Рис. 4 Состав золы после сжигания помета [15]
Рис. 5 Блок — схема производства термохимической газификации отходов животноводства [15]
Биоэнергетические методы утилизации
Такие методы решают сразу несколько задач: сбора и переработки отходов животноводства с улавливанием и нейтрализацией вредоносных биогазов, получение экологически чистых удобрений, а также метана для мини-ТЭЦ, газообразного топлива для автотракторной техники.
Биоэнергетические установки работают на базе процесса метанового сбраживания. В последнее время используются новые методы работы с этим процессом, обусловленные появлением современных технических разработок. Это и усовершенствованная конструкция биореактора, и устройство устойчивого давления газа без газгольдера. А также использование модифицированной закваски, произведённой за счёт работы культур метановых бактерий. Кроме того, стали появляться особые катализаторы процесса — это позволило существенно ускорить процесс и повысить эффективность технологии преобразования органических продуктов производства и жизнедеятельности. Именно большая степень преобразования органического вещества в этих продуктах дает в итоге высокую отдачу биогаза и жидкий шлам, которому присущи и вовсе уникальные характеристики.
Исходя из свойств первоначального сырья, шлам может употребляться как готовое удобрение или высококачественные кормовые добавки. [12]
Рис. 6 Схема биоэнергетической установки [12]
Данная технология существенно отличается от иных как по рабочим параметрам, так и по экологической безопасности.
БИОГАЗ ИЗ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА
Из навоза животных выход газа получается значительно меньшим, так как после прохождения пищевого тракта в отходах жизнедеятельности количество питательных веществ для метанобразующих микроорганизмов мало.
Поскольку у птиц пищеварительная система предназначена для быстрого отбора основной части питательных веществ из пищи, с частыми испражнениями для облегчения полета, то выход биогаза из помета будет наибольшим – около 100 м3 при 65% CH4.
Тогда как навоз крупного рогатого скота обладает наименьшим выходом биогаза – в среднем 25 м3 при 55% CH4, из-за пищеварительного тракта, предназначенного для максимального извлечения питательных веществ из корма в течение длительного времени с многократным пережевыванием пищи.
Выход биогаза из навоза увеличивается при его смешивании с подстилкой и остатками корма, также имеет значение влажность и свежесть навоза. [13]