Экологический проект Переработка отходов сельского хозяйства Боготольского района в биогаз.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя ощеобразовательная школа №3»

Экологический проект

Переработка отходов сельского хозяйства Боготольского района в биогаз.

Автор проекта:

Немов Егор,
учащийся 9 класса

БОГОТОЛ

2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

I. ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

I. 1. Актуальность. На территории Боготольского района развито сельское хозяйство: растениеводство, птицеводство, животноводство, которые дают большое количество органических отходов: навоз, помет, солома и другие растительные остатки. По данным отдела сельского хозяйства при администрации Боготольского района в хозяйствах района «насчитывается 1908 голов КРС, 96 702 курицы». После уборки зерна осталось 51 609,4 т. соломы (соотношение соломы к зерну как 1:1). Как же утилизируются эти отходы в нашем районе?

Утилизация отходов животноводства – одна из больших проблем. Навоз используется в основном как удобрение. Однако навоз становится удобрением только через 3-4 года, поэтому нужно место для его хранения. Он содержит много семян сорняков и яиц паразитов, которые попадают в почву. К тому же чрезмерное количество органических удобрений в почве приводит к накоплению в растениях большого количества нитратов.

Солома в основном сжигается, выбрасывая при этом в атмосферу большое количество загрязняющих веществ. Исследованиями экологического правозащитного центра «BELLONA» г. Санкт-Петербурга установлено, что «сжигание – до сих пор остается основным способом утилизации пожнивных остатков», несмотря на огромный экологический вред. «При сжигании 1 тонны соломы выделяется до 100 кг. газообразных и летучих веществ: сажа, углекислый и угарный газ, окислы азота и серы и пр.», которые переносятся на тысячи километров. [Bellona, 2012,с.11].

Правилами противопожарного режима в РФ установлен запрет на сжигание полевых остатков и установлен штраф [Постановление Правительства РФ от 25.04.2012 №390].

Ознакомившись с работами Шомина А.А. [Шомина А.А., 2002.], В. Баадера, Е. Доне, М. Бренндерфера [Баадера, В., Доне Е., Бренндерфера

М. 1982.], я узнал, что из отходов сельского хозяйства можно получать биогаз.

По данным доклада Э.Э. Шпильрайна [2012], основным источником получения энергии в мире являются: ископаемые топлива (85%). Однако его запасы иссякают, а стоимость все время возрастает. В современном мире остро стоит вопрос об использовании альтернативных видов топлива. Одним из них является биогаз.

На мой взгляд, строительство биогазовых установок в Боготольском районе позволило бы решить следующие проблемы: утилизация отходов сельского хозяйства; уменьшение загрязнения окружающей среды; получение высокопродуктивных органических удобрений; снижение себестоимости сельскохозяйственной продукции за счет уменьшения затрат на тепло и электроэнергию.

I.2. Постановка и формулировка проблемы.

Высокая стоимость тепловой и электрической энергии повышает себестоимость сельхозпродукции, в то же время отходы самого сельского хозяйства, которые могут служить сырьем для получения дешевой энергии не перерабатываются. Они либо накапливаются, либо сжигаются, загрязняя воздух и выделяя парниковые газы.

Биогазовые технологии используются в разных странах мира более 150 лет, а в России работы в этом направлении проводятся с начала 60-х гг. 20 века в Институте биохимии им. А.Н.Баха АН СССР. В настоящее время биогазовые установки функционируют в нескольких крупных фермерских хозяйствах европейской части России. Но исследования возможности получения биогаза из местного сырья на территории Боготольского района не проводились. Однако, в работе В. Баадера [1982, с.47] указано, что количество выделяемого биогаза связано с составом субстрата, который зависит от условий выращивания растений и кормления животных.

Гипотеза. Отходы сельского хозяйства Боготольского района можно использовать для производства биогаза.

I.3. Цель работы - изучение возможности переработки отходов сельского хозяйства Боготольского района в биогаз.

Задачи:

1. Подобрать литературу по рассматриваемому вопросу, найти информацию в сети Интернет.

2. Ознакомиться с использованием данной технологии в России и за рубежом.

3. Рассмотреть возможность производства биогаза в Боготольском районе.

4. Довести до сведения заинтересованных лиц результаты работы.

I.4. Методы и методики решения основных задач. Анализ литературы, анализ и обработка статистических данных.

II. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

II.1. История развития биогазовых технологий

Из материалов электронной энциклопедии [Википедия] я узнал, что человечество научилось использовать биогаз давно. Процессы разложения органических отходов с получением горючего газа и его использованием в

быту известны в Китае около 5 тыс. лет, в Индии – около 2 тыс. лет. В 1 тысячелетии до н. э. на территории современной Германии уже существовали примитивные биогазовые установки. 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.

Природа биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась. Но современные наука и техника создали оборудование и системы, позволяющие сделать эти «древние» технологии рентабельными и применяемыми не только в странах с теплым климатом, но и в странах с суровым континентальным климатом, например в России.

В Дании — биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По количеству установок ведущее место занимает Германия — 8000 тыс. шт. В Китае действует около 18 млн. биогазовых установок. В Индии - 3,8 млн. В Непале создано более 100 тысяч малых биогазовых установок [[Панцхава Е.С., Шипилов М.М., Пауков А. П., Ковалев Н.Д.].

В России в период с 1980 г. по 1990 г. было построено три крупных биогазовых станции на крупных свинокомплексах [Панцхава Е.С., Шипилов М.М., Пауков А. П., Ковалев Н.Д.].

В 21 веке биогазовые технологии вновь стали внедряться в хозяйства России. В настоящее время биогазовые установки функционируют в нескольких крупных фермерских хозяйствах европейской части России. В Красноярском крае также построена биогазовая установка на свинокомплексе в Сухобузимском районе [http://vis-inform.ru].

II.2. Сырье для получения биогаза

Сырьем для получения биогаза могут служить: жидкий и плотный навоз от КРС, свиней, домашних птиц, это важные основные составляющие для работы биогазовых установок в сельской местности. Сегодня к ним примешиваются и другие органические составляющие, остатки производств предприятий пищевой промышленности или биоотходы, применяются также специально выращенные энергетические растения, например зерно, травы, кукуруза, подсолнечник, с помощью которых повышают содержание биогаза. Также с успехом можно применить силос, свеклу и т.д. Вместе с перечисленным применяются и несельскохозяйственные субстраты (например: выжимки, барда, жиросодержащие обрезки), остатки овощей, фруктов от больших рынков, пищевые остатки, кормовые остатки и биомусор из коммунальных служб.

На другом сайте [www.elteco.ru/ru/biogaz/index.html] содержится информация, дающая более наглядное представление о количестве получаемого биогаза. Выход биогаза из навоза (помёта), полученного от одной головы скота (птицы):

• корова - 1,5 м³ биогаза в сутки;
• бычки на откорме - 1,1 м³ биогаза в сутки;
• свинья - 0,2 м³ биогаза в сутки;
• птица - 0,012 м³ биогаза в сутки;

II.3. Условия метанового брожения

На основании изучения разных источников [Баадера, В., Доне Е., Бренндерфера, 1982., http://nev-biotoplivo.narod.ru/biogazt.htm, Панцхава Е.С., Шипилов М.М., Пауков А. П., Ковалев Н.Д.,] можно выделить следующие условия, при которых происходит метановое брожение:

1. Температура. Метаболическая активность и репродуктивная способность организмов находятся в функциональной зависимости от тмепературы. Наиболее оптимальная температура для протекания процессов брожения 30-40 °С (мезофильное брожение) и 50-60°С (термофильное брожение).

При температуре ниже 15°С микробиологическая активность практически прекращается. При высокой температуре уменьшается содержание метана в газе.

1. Кислотность. Наиболее благоприятное значение рН =6,5-7,5. При повышении кислотности снижается активность метанобразующих бактерий.

2. Органические катализаторы. Добавление к сбраживаемой смеси глюкозы или целлюлозы изменяет соотношение C/N. Оптимальное соотношение С/N=20/1 - 30/1.

3. Ингибиторы. Содержание в сырье в больших количествах некоторых веществ (ионы тяжелых металлов, щелочные и щелочноземельные металлы, аммиак, нитраты, растворители, антибиотики) препятствует жизнедеятельности микроорганизмов и замедляет процессы брожения. Предельные концентрации веществ, препятствующих метановому брожению.

1. Перемешивание. Для высокой интенсивности реакции необходим беспрепятственный обмен веществ на граничных поверхностях, который поддерживается благодаря перемешиванию. Вязкость субстрата должна допускать свободу перемещения жидкости, взвешенных частиц, бактерий и пузырьков газа. Верхняя граница концентрации твердых частиц, при которой возможно свободное перемещение фаз, соответствует 10-12 %.

Кроме названных условий на выход биогаза влияют также загрузка рабочего пространства (количество загружаемой биомассы на единицу времени и единицу объема реактора)

и технологическое время цикла брожения

II.4. Установки для получения биогаза

Любая биогазовая установка имеет обязательные компоненты: реактор, нагревательные устройства, устройства для перемешивания субстрата, газгольдер.

Рис. 1. Обобщенная схема биогазовой установки. [Баадера, В., Доне Е., Бренндерфера М., 1982,с. 79].

В настоящее время используются разнообразные модели биогазовых установок, созданных на основе следующих технологических схем: проточная система, система с попеременным использованием реакторов, система с накоплением газа [Баадера, В., Доне Е., Бренндерфера М., 1982, с.80].

А.

Б.

В.

Рис. 2. Системы получения биогаза: А - проточная, Б - с попеременным использованием реакторов, В - с накоплением газа и шлама. 1-газгольдер; 2-накопитель шлама; 3-камера для брожения

В проточной системе сырьё загружают в реактор непрерывно, удаляя соответствующее количество шлама. При обеспечении постоянства условия производства этот способ позволяет получить максимальный

выход газа при непрерывном процессе. В системе с попеременным использованием реакторов используют два реактора, которые загружаются и опорожняются от шлама поочерёдно. При такой схеме рабочий объем реактора должен быть намного больше, также обязательным является наличие газгольдера для заполнения освобождающегося при выгрузке шлама объема. В системе с накоплением газа используется один реактор, в который периодически подается свежий субстрат, а шлам накапливается в реакторе. При непрерывной подаче субстрата снижается время, отводимое на брожение, и уменьшается выход газа.

Одним из недостатков любого вида реактора является необходимость энергозатрат на подогрев биомассы и перемешивание субстрата. Кроме традиционно используемых нагревателей, работающих на электричестве или жидком топливе, изобретатели предлагают использовать энергию ветра [http://nev-biotoplivo.narod.ru/biogazt.htm], или тепло, выделяющееся в результате аэробной обработки [Патент Российской Федерации RU2066304]. Перемешивание можно осуществлять за счет циркуляции смеси, создаваемой давлением образующегося газа [Патент Российской Федерации RU2088322]. Чтобы поддерживать необходимый уровень рН и избежать угнетения одних микроорганизмов метаболитами других, предлагается разделить корпус реактора вертикальными перегородками, образующими секции кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения [Патент Российской Федерации RU2066304].

III. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В городе Боготоле и Боготольском районе есть потенциальные источники сырья для производства биогаза: птицефабрика, молокозавод, фермы крупного рогатого скота, фермерские растениеводческие хозяйства, которые дают большое количество органических отходов: навоз, помет, солома и другие растительные остатки.

По результатам исследований Института энергетической стратегии РФ «общее количество органических отходов агропромышленного комплекса (АПК) России в десятки раз превышает количество отходов городов и перерабатывающей промышленности. Наибольшую массу среди органических отходов АПК занимают отходы растениеводства (солома, стебли, лузга и т.д.)».

В отделе сельского хозяйства при администрации Боготольского района имеется статистическая информация по животноводству и птицеводству (Табл.2), по производству зерна (Табл.3).

Таблица 2. Поголовье скота и птицы в хозяйствах Боготольского района в 2013году.

Из беседы с главным агрономом района было выяснено, что «соотношение зерна и соломы у пшеницы, в зависимости от сорта и технологии выращивания, может составлять 1:1,0 –
1,5».

Таблица 3. Производство зерна и соломы хозяйствами Боготольского района в 2013 году (при соотношении 1:1).

Пользуясь данными таблиц 1-3, было рассчитано количество биогаза, которое можно получить на установках, построенных на фермах КРС и птицефабрике и использующих солому близлежащих хозяйств.

При помощи электрогенератора из этого количества биогаза может быть выработана электроэнергия.

ЗАО «Боготольская птицефабрика» - 6 017 466 кВ,

Совхоз «Боготольский» - 11 537 996кВ,

ООО «Арга плюс» - 3 167 850 кВ.

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и т. д.). Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов. Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Биогаз используют для освещения, отопления, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов.

На основании проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1. Отходы сельского хозяйства при их неправильной утилизации наносят большой экологический вред.

2. Разные виды отходов сельского хозяйства (отходы животноводческих хозяйств; отходы мясного, рыбного, молочного производств); продукция растениеводства; канализационных стоков; твердых бытовых отходов могут использоваться как сырье для получения биогаза. Только в России запатентовано более сотни изобретений, относящихся к получению биогаза и позволяющих сделать его производство более рентабельным. Используется, в основном, технология получения биогаза способом анаэробного метанового брожения.

3. В Боготольском районе отходы сельского хозяйство могут утилизироваться переработкой в биогаз. Объем произведенного биогаза может составить 10 361 656 м³ в год, из него можно получить 20 723 312 кВ электроэнергии.

V. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баадера, В., Доне Е., Бренндерфера М. Биогаз: теория и практика. – Москва: Колос, 1982.- 163 с.

1. Биоэнергетические установки для сельского хозяйства (Россия). http://equipment.recyclers.ru/cat_1_09-001.html

2. Википедия. ru.wikipedia.org/wiki/

3. Журнал «Новости теплоснабжения»- www.ntsn.ru

4. Панцхава Е.С., Шипилов М.М., Пауков А. П., Ковалев Н.Д., Особенности биогазового топлива. - Москва.transgaz-holding.ru/biogaz__vysokorentabe

5. Шомина А.А. Биогаз на сельском подворье. - Балаклея: Инфор­мационно-издательская компания "Балаклійщина", 2002. — 68 с.

6. Шпильрайн Э.Э. Проблемы и перспективы возобновляемой энергии в России ||Источник: Материалы Пятого Международного Форума "Высокие технологии 21 века"-  www.hitechno.ru

7. Экопедия - www.ecorussia.info/ru/ecopedia/biogas

8. www.elteco.ru/ru/biogaz/index.html

9. www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=2250)

10. http://www.aditi.su/bio.htm

11. http://www.ntpo.com

12. http://nev-biotoplivo.narod.ru/biogazt.htm

13. Патент Российской Федерации RU2230933

14. Патент Российской Федерации RU2102467

15. Патент Российской Федерации RU2088322

16. Патент Российской Федерации RU2066304

18