V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В настоящее время во всем мире идет активное внедрение энергосберегающих технологий, которое направлено на снижение потребления невозобновляемых источников энергии. Одной из таких технологий можно считать биогазовую установку.

Серьезной экологической проблемой во многих городах России является утилизация стоков от предприятий агропромышленного комплекса, пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности. Например, ежегодно образующееся количество отходов сельскохозяйственных предприятий в РФ составляет более 300 млн. т. [2]. В данный момент навозные стоки складируются вблизи ферм и занимают значительные сельскохозяйственные территории. При разложении навоза происходит загрязнение подземных вод и водоемов, а в атмосферу выделяется большое количество токсичных газов. Для решения этих проблем целесообразно применение биогазовых технологий, которые позволяют помимо переработки отходов различного происхождения, решать энергетические проблемы.

Биогазовая установка предназначена для переработки органических веществ методом анаэробной ферментации, при этом происходит обезвреживание отходов и получение источника энергии – биогазового топлива и биологических удобрений.

Количество и качество получаемого биогазового топлива зависит от состава исходного субстрата.

Всё многообразие субстратов можно разделить на 2 большие группы: различные виды отходов и возобновляемое сырьё.

К отходам можно отнести навоз КРС, свиней, биологический мусор, куриный помет, навоз лошадей и др. Этот вид субстрата наиболее выгоден и актуален для использования в условиях Российской Федерации, обладающих огромным количеством КРС(9207,7 тыс. голов), поголовья свиней (11711,9 тыс. голов) и птицы (385796,3 тыс. голов), так как они выделяют огромное количество отходов жизнедеятельности, которые необходимо перерабатывать, и которые как нельзя лучше подходят для работы в биогазовых установках, за счет нулевой стоимости сырья [3].

К возобновляемому сырью относятся растительные энергетические культуры, такие как сено, кукурузный и травяной силос, сахарная свекла, зерновая пыль, картофель и другие. Этот вид сырья наиболее распространен в Европе и Германии, где сейчас всё большее количество площадей отдаются под энергетические растения, используемые в биогазовых установках. Часто выращивание энергетических растений считают отдельной отраслью производства и, для некоторых фермеров, она является главным источником дохода.

Любой субстрат состоит из воды и сухих веществ, при этом сухое вещество содержит органическую и неорганическую составляющие части. Необходимо отметить что только из органической сухой части можно произвести метан, являющийся главной энергетической частью биогаза, поэтому содержание органического вещества в субстрате является первым критерием для выбора составляющих смеси субстрата.

Неорганическая часть состоит из песка, земли, камней и других похожих веществ, попадающих в органические отходы или же собранный урожай. Эти вещества оказывают отрицательное воздействие на процесс производства биогаза, поскольку из них нельзя добыть биогаз и, кроме того, они приводят к техническим проблемам, таким, например, как их оседание.

Органическое вещество состоит из протеина, жиров и углеводов.

Жиры являются разновидностью трехзначного алкоголя глицерина, к которому прикрепляются от одной до трех одинаковых либо разных жирных кислот (карбоновых кислот). Их называют соответственно моно-, ди- или триглицеридами. Жиры являются постоянными смесями разных триглицеридов и разлагаются на жирные кислоты и глицерин. Слишком большое количество жира приводит к накоплению органических кислот, поэтому снижается уровень pH и замедляется образование уксусной кислоты и метана.

Белки являются сложномолекулярными соединениями, состоящими из аминокислот. Они, также как углеводы и жиры, состоят из углерода С, водорода Н, кислорода О, но кроме этого содержат азот, серу, фосфор. Белки разлагаются на пептиды, аминокислоты, и органические кислоты.

Углеводы разделяют на две группы: легкоразлагаемые (простые) и тяжелоразлагаемые (сложные). К легкоразлагаемым относят моносахариды: сахар, глюкоза, фруктоза. К тяжелоразлагаемым относятся:

- олигосахариды (до 10 моносахаридов): сахароза (тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар);

- полисахариды (с большой молекулярной массой): крахмал, гликоген, целлюлоза, инулин;

- гетерополисахариды - (смешанные углеводы со сложной структурой):гемицеллюлоза, пектины, лигнин;

Главным показателем субстрата является выход газа в л/кг органического сухого вещества (оСВ), который составляет у белка 700 л/кг оСВ, у жиров 1250 л/кг оСВ, а у углеводов 790 л/кг оСВ. Важным показателем также является процентное содержание метана в общем объеме газа. Максимальное количество метана в биогазе можно получить из белков и жиров - 71% и 68% соответственно. Хуже всего результаты у углеводородов - лишь 50% метана в газе.

В зависимости от состава каждый вид субстрата имеет определенные пределы максимального и минимального выхода газа (см рис. 1). [1]

1. Твердый навоз КРС 11- Содержание желудка жвачн. 21- Пивная драбина

2. Жидкий навоз КРС 12- Солома пшеницы 22- Навоз лошадей

3. Солома общ. 13- Ботва свеклы 23- Мезга свеклы

4. Солома от ячменя 14- Биомусор 24- Силос из сахарной свеклы

5. Содержание желудка свин. 15- Отходы овощей 25- Кукурузн. солома

6. Меласса 16- Клевер 26- Жир из жироловок

7. Густая картоф. масса 17- Укос лужаек 27- Флотационный жир

8. Куриный помет 18- Кукурузный силос

9. Жидкий свин. навоз 19- Травяной силос

10. Листья 20- Травы

Рисунок 1 Выход газа с разных видов субстратов.

Как видно из рисунка, наиболее высокий выход газа имеют жир из жироловок и флотационный жир, чуть меньший – возобновляемое сырье, и самый небольшой выход биогаза у различных видов навоза.

Целесообразность применения отдельных видов субстрата зависит от специфики получения и экономических затрат на производство. Например, для сбора жира из жироловок необходима установка жироулавливающих устройств на стоках от кухонь, кафе, ресторанов и других источников. Кроме того необходимо учесть малые объемы выработки жиров и затраты на их транспортировку. Применение возобновляемого сырья возможно, если подтверждается экономическое обоснование его производства, так как оно требует значительных затрат на аренду сельскохозяйственных площадей, посев, сбор и доставку урожая к месту переработки. Различные виды навоза и биологический мусор несмотря на относительно низкий выход газа имеют широкое распространения, так как не требуют больших затрат и могут применятся на фермах различных размеров и численности КРС, свиней, птиц и др.

Можно сделать вывод, что навозные стоки животноводческих и птицеводческих предприятий являются наиболее выгодными видом субстрата для получения биогазового топлива в РФ. Во-первых за счет того, что перерабатывается огромное количество вредных отходов, загрязняющих окружающую среду, во-вторых за счет минимальных финансовых затрат на производство биогаза, в отличие от возобновляемого сырья. Однако это не исключает применение данного вида сырья в качестве добавки к биоотходам и различным видам навоза.

Список литературы:

1. «Биогазовые установки. Практическое пособие.» Барбара Эдер, Хайнц Шульц.

2. В белгородской области открыли промышленную биогазовую станцию //Российская газета. 21 сентября 2012.

3. http://newsland.com/news/detail/id/919391/

Код для цитирования: Скопировать