XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В современном мире интенсивно идет развитие технологий производства энергии из альтернативных, возобновляемых источников, с растущими показателями потребления и, как следствие, ограниченностью энергоресурсов. К таким источникам относятся, в первую очередь, солнечная и ветровая энергия, геотеримальное тепло, энергия биомассы, энергия морских волн и отливок. В настоящее время и во всем мире уделяется большое внимание вопросам развития и внедрения альтернативных источников энергии и в Казахстане.

Сегодня альтернативные источники энергии широко используются для решения проблем энергоснабжения. Доступность технологий получения энергии из неисчерпаемых источников позволит построить в отдаленных районах энергонезависимые дома с экологически чистой инфраструктурой и решить проблемы энергоснабжения существующих объектов.

Альтернативные источники энергии, такие как солнечное излучение и энергия ветра, используются для энергоснабжения и подогрева воды, геотермального земляного тепла, отопления и кондиционирования зданий. Преобразование солнечной энергии в электрическую энергию осуществляется с помощью фотоэлектрических пластин из наиболее распространенного на планете элемента - кремния [1].

Ускоренное внедрение биогазовых технологий в предстоящие годы будет немедленно решать проблемы энергообеспечения предприятий биогазовой и пищевой промышленности, а также городских водоканалов и частного сектора.

Важным преимуществом использования биогаза является его устойчивое обновление, наличие местных источников сырья для получения топлива, снижение воздействия парника и экологического ущерба благодаря постоянно действующей системе сбора органических отходов, обеспечение экологически замкнутой энергетической системы.

Биогазовая установка-это:

- Возможность получения одновременно нескольких энергоресурсов-электроэнергии, тепла, газа, моторного топлива;

- Полное решение проблем утилизации органических отходов с разделением на чистую воду, биогумус и минеральные удобрения с высоким содержанием азота и фосфора;

- Возможность организации новых, высокодоходных видов сельскохозяйственного производства [2].

Одним из направлений экономического развития общества является развитие ресурсосберегающих технологий. Такие технологии включают топливо и другие источники энергии, а также сырье для технологических целей.,

обеспечивает производство продукции с минимальным потреблением материалов, воздуха, воды и иных ресурсов. Они включают использование вторичных ресурсов, утилизацию отходов, а также рекуперацию энергии, замкнутую систему водоснабжения.

Грамотное использование отходов из сельского хозяйства-глобальная и важная проблема в нашем мире. С одной стороны, она связана с возможностью утилизации мощности биомассы и получением из нее жидкого и газообразного топлива (биогаза), с другой стороны, способствует предотвращению загрязнения водных объектов, поражения почвенного покрова патогенными микроорганизмами и гельминтами, расположенными в навозе животноводческих ферм [3].

В природе за счет взаимосвязанных замкнутых циклов вещество и энергия используются исключительно эффективно и абсолютно безотходно, т. е. остатки одного природного процесса постоянно служат сырьем для других. Наоборот, в процессе техногенеза, в том числе, на агропроизводственных предприятиях, остается очень много неиспользуемых отходов, которые являются главными загрязнителями окружающей среды.

Ежегодно образующиеся сельскохозяйственные отходы во многих странах составляют в среднем от 1200 до 7000 кг на человека. Большинство из них хранятся в открытом состоянии без обнаружения областей эффективного использования, при этом они вступают во взаимодействие с компонентами окружающей среды и переходят от пассивного вредного вещества к активному вредному веществу для человека и других представителей биоты.

За последнее столетие в экосистемах наблюдается нарушение экологического равновесия по мере увеличения количества загрязнителей от антропогенных сред. В этой связи на первый план выходит вопрос охраны и рационального использования природных ресурсов. В частности, потери плодородия почв, в связи с этим ухудшение качества продукции земледелия и животноводства вызывает серьезную обеспокоенность всего человечества, так как это очень важно для экономического и социального развития любой страны.

По сравнению с другими формами биосферы почвенный слой является средой, которая принимает на себя давление потока отходов и различных отходов производственного, сельскохозяйственного, нежилого хозяйства. В связи с интенсивным ростом техногенного давления почвенная система потеряла возможность выполнять свою важнейшую роль, как припой и обезвоживание. Одной из главных причин наблюдаемого явления является преобладание разрушающих процессов, чем биологическая урожайность в почвенной системе. В результате деградации почвы, с каждым годом урожайность культур снижается на мировом уровне, в связи с чем уменьшаются запасы гумусовых веществ, являющихся главным источником элемента питания. В целом, сейчас темпы проведения экологических мероприятий опережают темпы деградации земель и снижение естественного плодородия почв.

В настоящее время одной из безотлагательных задач является экологизация сельского хозяйства – экологизация агропромышленного производства (альтернативное земледелие) и животноводства. Главным направлением экологизации земледелия является, в первую очередь, снижение доли используемых химических методов для повышения плодородия почв и защиты растений и увеличение доли биологических методов. Во многих странах мира разрабатываются и осваиваются биологические методы защиты растений, основанные на сокращении или полном отказе от синтетических минеральных удобрений и химических препаратов для ведения сельского хозяйства.

Альтернативное земледелие опирается на применяемые в агротехнике методы и приемы, не нарушающие почвенную систему и не снижающие плодородие почв. Альтернативное земледелие в основном направлено на естественное обогащение гумусового слоя земли, восстановление почвенного естественного баланса насекомых, мелких видов животных и микрофлоры, то есть кормовой цепи. Благодаря этому создаются благоприятные условия для роста и развития растений. Он позволяет растениям быть здоровыми и сильными, чтобы противостоять болезням и вредителям [4]. Современное состояние энергетики во всем мире характеризуется дефицитом и загрязнением окружающей среды. Стратегия развития энергокомплексов многих стран мира связана с использованием новых (нетрадиционных) и возобновляемых источников энергии (ВИЭ), что является реальным путем для успешного решения проблемы энергоснабжения и сохранения окружающей среды [5]. Такие направления энергообеспечения динамично развиваются в развитых странах мира. По прогнозам специалистов, часть возобновляемых источников энергии может достигать 50% в мировом балансе генерации электроэнергии [6].

В селе Привольное Восточно-Казахстанской области на базе фермы» Багратин " расположен биогазовый завод, позволяющий производить 400 м3 газа от переработки 10 тонн навоза в день.

В последние годы из-за нехватки энергоисточников для обеспечения хозяйственных и бытовых потребностей населения ищут адекватные заменители. Для получения биогаза в настоящее время в мире имеется около 8 млн. долларов США. работает установка. В настоящее время, в связи с тем, что в настоящее время на территории Республики Казахстан имеются два крупных предприятия: ТОО "Казфосфат", ТОО "Казфосфат", ТОО "Казфосфат". В настоящее время биогазовая отрасль в стране является практически неразвитой по сравнению с другими отраслями биотоплива, но при наличии имеющегося в Казахстане потенциала биогаз может заменять потребление энергии, получаемой частично, а в некоторых регионах и полностью от традиционных энергоносителей. В целом, перспективы развития и использования биогазового производства в республике очень хорошие. Этому способствует наличие значительного количества органического сырья, простота технологии получения и использования биогаза, а также потенциал, предоставляемый биогазом при замене традиционных источников энергии для производства электричества и тепла. Производство биогаза в нашей республике не должно испытывать никаких трудностей,так как достаточно сырья для его производства. В качестве субстратов для производства биогаза выступают, прежде всего, органические отходы сельского хозяйства страны, которые в настоящее время не используются, кроме мелкой части, которая идет на удобрения. Кроме того, можно использовать ресурсы полигонов ТБО, очистку сточных вод и др. В течение года в любом крестьянском хозяйстве собираются многочисленные навозы, растительные, различные отходы. Обычно после распада они используются в качестве органического удобрения.

К экономике установки биогаза относятся::

- экономия электроэнергии и топлива;

- экономия гербицидов и удобрений;

- можно продать биогаз;

- повышение качества продукции сельскохозяйственных культур;

- в течение года биогазовые установки компенсируют свои расходы;

- улучшается эпидемическая ситуация, связанная с уничтожением

микроорганизмов в органических отходах;

улучшится здоровье от экологически чистой сельскохозяйственной продукции

связи с применением экологически чистых удобрений;

- время, затрачиваемое на сбор, транспортировку, сушку угля, угля, древесного топлива, экономия средств и отсутствие необходимости хранения;

- в связи с уничтожением семян трав в органических отходах, экономится время, затраченное на уборку сорной растительности.

Преимущества использования биогазовой установки, приводящие к экологии:

- уменьшается выделение в атмосферу метана (парникового газа), образующегося из открытого хранилища навоза;

- уменьшается выделение угольных, древесных топлив продуктов горения и углекислого газа;

- уменьшается загрязнение воздуха неприятным запахом азотных соединений;

- снижение загрязнения водных ресурсов навозом;

- деревья (леса) хранятся от использования в качестве топлива;

- применение химических удобрений уменьшается [8]. Годовой выпуск отходов животноводства и птицеводства в Казахстане по сухому весу - 22,1 млн. долларов США. т или 8,6 млрд. долл. м3 газа (крупный рогатый скот-13 млн. Т, овец-6,2 млн. долл. т, лошадей-1 млн. т), растительные отходы-17,7 млн. долл. т или 8,9 млрд. долл. м3 газа, это 14-15 млн. м3 условного топлива.т. За счет их переработки около 2 млн. долларов США в год.т. биогаз может быть получен.

Из 1т сухого вещества отходов можно получить около 500 - 700 кг удобрений и 400 м3 биогаза. Анализ данных утилизации сельскохозяйственных отходов в Казахстане составил 39,8 млн. долларов США.тонн отходов 17,5 млрд. долл. биогаз и 25,65 млн. долл. тонн можно получить из экологически чистых биопрепаратов. Брикетные навозы могут использоваться в сельской местности в качестве топлива для автотранспорта и сельскохозяйственной техники (с установкой газогенераторных двигателей).

Переработка газа в электрогазогенераторах 17,5м3 ежегодно составляет 45 млрд. долл.кВт/часов (24 млрд для нужд сельского хозяйства. (половину всего энергопотребления при наличии) и одновременно 44 млн. долл. Гкал позволяет получать тепловую энергию. По теплотворной способности 1 м3 биогаз эквивалентен 0.7 м3 природному газу, 0.643 л или 0,566 кг дизельного топлива, 0,856 кг условного топлива. При средней величине выхода биогаза 65 м3 / с суточное производство составляет 1560 м3, годовое производство - 569400 м3. Затраты на собственные нужды биоэнергетического модуля 22кВт/час [9]. В настоящее время в Республике Казахстан повышается интерес отечественных экспертов и сельскохозяйственных фирм к выбору рациональных технологий по переработке и утилизации отходов птицефабрик и животноводческих ферм, связанных с повышением тарифов на энергоносители, значительным увеличением экологических требований по атмосфере, водохранилищам, почве, а также ростом опасности аварий и отключений в энергосистемах [10]. Технология анаэробной переработки может быть использована в сельскохозяйственном производстве, что позволит повысить рентабельность предприятия, а не решить экологические проблемы, стоящие перед животноводством, а также путем получения качественных органических удобрений и биогазов, удобных для получения тепла и электроэнергии [11].

Для решения этой проблемы может быть использован способ интенсификации процесса брожения на базе барботажа, который позволит довести до меньшего количества температурной однородности и поворачивать продукты, сдерживающие жизнедеятельность бактерий в биореакторе. Сдерживающим моментом в развитии этого направления является отсутствие комплексных исследований, направленных на улучшение и интерпретацию характеристик и режимов работы барботажа биореактора. В связи с этим исследование органических отходов животноводства в биореакторе путем разогрева анаэробной переработки и смешивания барботажа является важной задачей, представляющей научный и практический интерес [12]. В результате содержания навоза птиц и животных на животноводческих предприятиях традиционно собирают и хранят навоз в больших котлованах — навозохранилищах, где он теряет свои опасные свойства и постепенно превращается в удобрения не ранее чем через 8-12 месяцев. Твердые бытовые отходы считаются малотоксичными, но в мусоросборных местах (не менее 20 лет) они подвергают меньшей опасности из-за большого срока разложения при утилизации [13].

Важной задачей любого биотехнологического процесса является разработка и оптимизация научно-обоснованной технологии и аппаратуры для нее. При организации биотехнологических производств необходимо учитывать, что биотехнологические процессы значительно отличаются от химических процессов, использующих сложную биологическую организацию. Каждая биологическая форма (клетка, фермент) - система самостоятельного саморегулирования. Природа биологических процессов сложна и окончательно не определена. Например, к микробным популяциям относятся значительные гетерогенные по ряду признаков-возраст, физиологическая активность, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды. Они также подвергаются случайной мутации, их частота от 10-4 до 10-8. Гетерогенные фазы могут быть связаны с наличием поверхностей отделения и неравномерностью условий среды.

В целом любой биотехнологический процесс включает три основных этапа: предферментационный, ферментационный и постферментационный. Стадия ферментации является основной стадией биотехнологического процесса,в ходе которого происходит взаимодействие продуцента с субстратом и появление целевых продуктов (биомасса, эндо - и экзо-продуктов). Данный этап осуществляется в биохимическом реакторе (ферментах) и может быть организован различными способами в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к виду и качеству конечной продукции. Ферментация может проходить в строгих асептических условиях и без соблюдения правил стерильности ("незащищенная" ферментация); в жидкой и твердой среде; через анаэробно и аэробно.

Анаэробная утилизация сельскохозяйственных отходов осуществляется на биогазовых установках. Биогазовые установки состоят из базовых элементов, показанных на рисунке.

Базовые элементы биогазовой установки

1-реактор; 2 - загрузочный бункер; 3 - смесительное устройство; 4 - водяная крышка; 5 - разгрузочный трубопровод; 6-отвод биогаза.

Существуют следующие этапы анаэробного превращения сложного органического вещества в биогаз:

1. стадия гидролиза сложных биополимерных молекул (полисахариды, липиды, белки и др.).

2. стадия брожения, появившиеся мономеры распадаются до простых веществ, таких как низкие спирты и кислоты.

3. ацетогенный период, в котором образуются: водород, углерод, предшественник метана ацетат.

4. метаногенный период, в котором образуется конечный продукт разложения сложных органических веществ, метан.

В каждой фазе одновременно проходит несколько различных реакций. Количественное соотношение этих реакций зависит от бактерий, участвующих в данном этапе, и вида перерабатываемого сырья, а также большого количества других факторов. В связи с этим невозможно точно прогнозировать и рассчитать характер протекания реакции и количественные показатели выхода [14].

Снижение уровня антропогенной нагрузки на окружающую среду от отходов животноводческих комплексов возможно за счет внедрения на животноводческом комплексе технологий получения биогаза и органоминеральных удобрений[15].

Анализ проблемы обращения с отходами животноводства показал, что отходы - сырой навоз без переработки вывозится и складируется на полях, и тем самым оказывает негативное воздействие на окружающую среду, вызывая отравление почв, загрязняет воздух, подземные воды и является источником инфекционных заболеваний.

Анализ литературных источников показал, что для переработки животноводческих отходов и обеспечения биотехнологического процесса разложения органических компонентов с получением полезной энергии и продуктов применяются в основном аэробные технологии брожения, компостирования, термохимической обработки, вермикомпостирования и комплексные технологии [16].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Безруких П.П., Стребков Д.С. Состояние, перспективы и проблемы развития возобновляемых источников энергии // Малая энергетика, 2005, №1-2 (2-3).

2.Альтернативная энергетика. Биогаз. [Электронный ресурс] URL: // http: //mediana. nm. ru/biogaz.htm

3.Малофеев, В.М. Биотехнология и охрана окружающей среды: Учебное пособие. - М.: Издательство Арктос, 1998. - 188 с.

4. Саинова Г. Ә., Сунакбаева Д. К.Вермитехнология .

5. Пантелеева І.В. Проблеми та перспективи розви-тку використання поновлюваних джерел енергії / І.В. Пантєлєєва, С.О. Бєлікова // Системи обробки інфор-мації: зб. наук. пр. – Х.: ХУ ПС, 2007. – Вип. 3 (61). – С. 72-73.

6. Коробко Б.П. Концепція та основні завдання галу-зевої програми впровадження нових та поновлювальних джерел енергії / Б.П. Коробко, М.М. Жовнір //Энергетика и электрификация. – 1999. – № 7. – С. 33-41.

7. Момыналиева Л.Т., Биоэнергетика как устойчивый и возобновляемый источник энергии для Казахстана // Журнал KAZENERGY 2013. №2 (57) – 128 с.

8. Калмыкова Ю., Герман А., Жирков В. Твердые бытовые отходы. Утилизация и переработка бытовых отходов. [Электронный ресурс] URL: http://www.solidwaste.ru/publ/view/34.html

9. https://articlekz.com/article/13967Интернет-портал сообщества ТЭК [электронный ресурс] URL: // www.Energyland.info

10.Перемешивания субстрата в малых биогазовых установках // Publishing house Education and Science s.r.o. [Электронный ресурс] URL: http://www.rusnauka.com/14_ENXXI_2012/Tecnic/5_110608.doc.htm

11. Биогазовая установка БГУ // Общественное экологическое движение Na'Vi [Электронный ресурс] URL: http://eco.na-vi.su/the-biogas-plant/

12. Костромин Д.В. Анаэробная переработка органических отходов животноводства в биореакторе с барботажным перемешиванием.

13. Выгодная утилизация биоорганических отходов // Металюкс [Электронный ресурс] URL: http://www.metalux.ru/vyigodnaya-utilizacziya-bioorganicheskix-otxodov.html

14. Фрумкин Б. Е. Развитие биотехнологии для сельского хозяйства и сотрудничества стран-членов СЭВ в этой области // Достижения перспективы. - 2006 - № 35 - С. 12-15.

15. Мавлюдова Л.Н. Разработка технологических решений по утилизации отходов животноводства с получением полезной энергии и удобрений/ Тольятти 2017.

16. Евтушенков, А.Н., Фомичев, Ю.К. Введение в биотехнологию: Курс лекций:/ А.Н. Евтушенков, Ю.К. Фомичев. - Мн.: БГУ, 2002. - 105 с.

Код для цитирования: Скопировать