Дипломная работа: Технологія метанового зброджування гнойової біомаси

Дипломная работа: Технологія метанового зброджування гнойової біомаси

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

БІЛОЦЕРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЕКОЛОЛГІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

6.070800 “Екологія і охорона навколишнього середовища”

КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА

НА ТЕМУ:

“Технологія метанового зброджування гнойової біомаси”

БІЛА ЦЕРКВА

Зміст

РЕФЕРАТ

ВСТУП

1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Відновні джерела енергії в Україні та їх потенціал

1.2 Біогазова установка (БГУ)

1.3 Досвід впровадження біогазових установок у світі і в Україні

1.4 Оптимізація роботи БГУ

2. МАТЕРІАЛ І МЕТОДИКА ВИКОНАНОЇ РОБОТИ

3. ВЛАСНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

3.1 Характеристика господарства

3.2 Розрахунки параметрів біоконверсії гнойової біомаси в біогаз

4. ОХОРОНА ПРАЦІ

ВИСНОВКИ

ПРОПОЗИЦІЇ

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

РЕФЕРАТ

Робота виконана на основі даних отриманих під час проходження виробничої практики в сільськогосподарському товаристві з обмеженою відповідальністю розташованому у Васильківському районі Київської області..

В огляді літератури розкрито основні питання щодо значення і функцій біотехнологій в збереженні довкілля, детально розглянуто питання потенціалу відновних джерел енергії в Україні, конструкції біогазових установок, поширення БГУ в Україні та світі, оптимізації процесів метанового анаеробного зброджування гнойової біомаси.

Проведено розрахунки основних параметрів біогазового виробництва для СТОВ “Пологівське”. Надано конкретні рекомендації для даного господарства.

Ключові слова: біотехнологія, біогазова установка (БГУ), відновні джерела енергії (ВДЕ), метаногенез, гнойова біомаса, біогаз, метантенк (реактор).

ВСТУП

Розвиток сільськогосподарського виробництва і прогрес у нагромадженні продуктів харчування залежать від ґрунтових, водних, енергетичних та біологічних ресурсів. Якщо перші три види ресурсів розглядаються як обмежені, то біологічні ресурси можна відновлювати, Першочергове значення при цьому набувають питання поліпшення існуючих та створення нових високопродуктивних, стійких до біотичних і абіотичних факторів сортів рослин, порід тварин, корисних штамів мікроорганізмів. Важливу роль у вирішенні цих питань займають біотехнологічні методи, які сприяють перетворенню сільського господарства у високоефективну, конкурентноздатну, екологічно безпечну галузь [3].

Біотехнологія - це галузь науки, яка вивчає використання хіміко-біологічних процесів, мікроорганізмів, культур клітин i тканин рослинного i тваринного походження, ферментних препаратів та інших біологічно активних речовин для одержання біотехнологічної продукції [4].

Нова біотехнологія сформуваласъ на базі молекулярної біології, клітинної та генетичної інженерії, широкого використання методів мікробіології, бioxiмії, біоорганічної xiмії та інших наук. Сьогодні біотехнологія є одним з пріоритетних напрямів, які забезпечують прискорення науково-технічного прогресу. Її використовують у вирішенні багатьох практичних питань, пов'язаних з підвищенням ефекгивності охорони здоров'я людей i тварин, збільшенням продовольчих pecypciв i забезпеченням промисловості сировиною, використанням рентабельних поновлюваних джерел eнeргiї i безвідходних виробництв, зменшенням шкідливих антропогенних впливів на довкілля та в інших галузях [5].

Одним із важливих розділів біотехнології є інженерна ензимологія, яка базується на використанні іммобілізованих ферментів [5].

На сучасному етапі бурхливо розвивається екологічний напрям бioтехнології, який включав розроблені біотехнології оздоровлення i захисту довкілля та забезпечення екологічно чистого безвідходного виробництва. Вони забезпечують утилізацію відходів тваринництва, зокрема гнойової біомаси, промислових, побутових i рослинних залишків шляхом метанового бродіння та вермикультивування. Процес утилізації з участю метаноутворюючих мікроорганізмів проходить у спеціальних бioгaзових або біоенергетичних установках (БГУ або БЕУ), у яких за рахунок анаеробної бioконвepciї біомаси відходів одержують енергоносій у вигляд бioгaзy i високоякісно знешкоджене концентроване органічне добриво. Біогаз, основним компонентом якого є метан в концетрації від 50 - 80%, є екологічно чистим i конкурентноздатним енергоносієм. Вихід біогазу i його склад залежать як від якості вихідної сировини ( вміст та хімічний склад органічної речовини, вмicт i співвідношення C:N, вмiст твердих частинок та ін.) так i від параметрів процесу метаногенезу (t°, рН середовища, тривалість бродіння, наявність iнгібіторів і каталізаторів) [6].

Рентабельність БГУ визначається значною мipoю и конструктивними характеристиками, а також оптимізацією параметрів технологічного процесу з урахуванням конкретних природнокліматичних i технолого-економічних передумов виробництва біогазу безпосередньо в господарстві (на фермі або тваринницькому підприємстві).

Утилізація відходів методом вермикультивування (за допомогою дощових черв'яків i частіше червоного каліфорнійського гібрида) дає можливість трансформувати piзнi відходи, які до цього були основними забруднювачами довкілля, з одного боку у біологічно повноцінний білок тваринного походження, придатний для використання у годівлі тварин та харчуванні людей (черв'ячна біомаса), а з іншого — у зернисте гумусне добриво (біогумус). В основі технології лежить природний механізм ґрунтоутворення (гуміфікація органічних відходів) [5].

1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Відновні джерела енергії в Україні та їх потенціал

Сьогодні в Україні одним з пріоритетних напрямів енергосектору є відновлювана енергетика і енергозбереження. Не дивлячись на достатньо високий потенціал відновлюваних джерел енергії і ряду успішно реалізованих проектів в цій області, в Україні існує ряд політичних і фінансових бар'єрів. Головною проблемою гальмування розвитку ВДЕ (відновні джерела енергії) є не тільки відсутність чинного законодавства але і традиційна залежність від енергетичного бізнесу [21].

З кожним роком в країні з'являється все більше нових підприємств, що виробляють устаткування для відновлюваної енергетики, велика частина якого сьогодні експортується за кордон, не знаходячи попиту в Україні. Виключенням є вітроенергетика [22].

Проблемам використання ВДЕ в Україні почали безпосередньо надавати увагу років двадцять тому, але програми державної підтримки ВДЕ з'явилися лише після проголошення незалежності, тоді як в розвинених країнах стимулювання нових екоенерготехнологій, викликане нафтовою кризою, має тридцятирічну історію. Проте реальної фінансової і державної підтримки даної сфери в нашій країні поки немає. Більшість прийнятих в Україні програм і законодавчих документів носить швидше декларативний характер. Стримуючими чинниками тут виступають нижчі, ніж в Європі, ціни на тепло і електроенергію і менш жорсткі екологічні вимоги до виробників. Крім того, для ряду технологій використання ВДЕ (наприклад, виробництво біогазу із стічних вод, відходів тваринництва і птахівництва, утилізація метану з полігонів твердих побутових відходів) головний ефект забезпечується екологічними чинниками, а не виробництвом паливно–енергетичних ресурсів [21].

За статистикою Мінпаливенерго, в Україні використання ВДЕ складає досить незначну частку в загальному енергопостачанні – 3%, включаючи велику гідроенергетику (Рис. 1.), хоча енергетичний потенціал основних видів відновлюваних джерел достатньо високий (Табл. 1.). Досяжний енергетичний потенціал відновлюваних і вторинних джерел енергії складає 73 млн. т умовного палива (у перерахунку на газ цифра складає 62,7 млрд. кубометрів).

Згідно проекту Енергетичної стратегії України до 2030 року і подальшої перспективи, основними напрямами розвитку ВДЕ в нашій країні є:

·          використання енергії вітру і гідроенергії для виробництва електроенергії,

·          сонячної і геотермальної енергії – для виробництва тепла,

·          утилізація відходів біомаси, твердих побутових відходів і т.п. – шляхом спалювання або отримання біогазу для виробництва тепла і електроенергії,

·          використання біогазу як моторного палива. [21]

Таблиця 1.

Перспективні напрямки і рівні освоєння енергії відновних джерел в Україні до 2030 року [21]

З таблиці 1 видно, що біоенергетика, яка передбачає спалювання біомаси для одержання енергії та анаеробне збродження біомаси для отримання біогазу вже в 2020 році займе провідну позицію серед ВДЕ. На мою думку анаеробне збродження біомаси має багато переваг як екологічних, так і економічно–технічних перед спалюванням біомаси. При метаногенезі за умов дотримання технології не відбувається викидів шкідливих газів в атмосферу як це є при спалюванні. Крім того, біогаз можна накопичувати, зберігати, змінювати його агрегатний стан, трансформувати в інші види енергії, транспортувати на великі відстані і використовувати в усіх галузях народного господарства безпосередньо при потребі. А теплову енергію яка утворюється при спалюванні біомаси потрібно використовувати негайно і лише на обігрів приміщень та виробництво електроенергії. Теплота – єдиний цільовий продукт отримуваний при спалюванні, при метаногенезі ми додатково отримуємо шлам і надосадову рідину, які мають неабияку господарчу цінність і навіть можуть бути предметом комерції.

Ще в 1995 р. в країнах ЄС на частку біомаси доводилося більше 60% споживання енергоносіїв, одержаних з відновлюваних джерел (які склали 6% загального споживання первинних енергоносіїв). У деяких державах частка біомаси в загальному споживанні первинних енергоносіїв значно перевищує середньоєвропейські показники: у США – 3,2%, в Данії – 8%, в Австрії – 12%, в Швеції – 18%, у Фінляндії – 23%. А згідно програми розвитку ВДЕ в країнах ЄС, до 2010 року частка біомаси в загальному внеску ВДЕ складе 74%, що буде рівно 9% загального споживання первинних енергоносіїв [23].

В Україні технології утилізації біомаси знаходяться на початковому етапі розвитку і мають хороші перспективи для комерціалізації, особливо на тлі збільшення вартості природного газу. Енергетичне використання біомаси дає можливість, окрім електрики, виробляти ще і теплову енергію, а також рідкі (біодизель і біоетанол) і газоподібні (біогаз) палива. Як показують результати техніко-економічного аналізу, виробництво тепла з біомаси є конкурентноздатним навіть при використанні імпортного устаткування. При використанні котлів українського виробництва термін окупності складає близько року при спалюванні деревини і 2–4 роки при спалюванні соломи. Так, водонагрівальні казани ЗАТ «Житомирремпищемаш» потужністю 300–820 кВт, працюючі на відходах деревини, приблизно в 4–5 разів дешевше за закордонні аналоги (середня вартість $20–30 за 1 кВт потужності) [20].

Україна має величезний потенціал практично всіх видів відновлюваних джерел енергії (Табл. 2.). При бажанні в найближчі десятиліття можна вирішити питання електро- і теплопостачання країни за рахунок енергії сонця, вітру, біоенергетичних відходів, тепла землі і гідроенергетичних ресурсів. Вже сьогодні можна використовувати швидкоокупне устаткування і технології для відновлюваних технологій, хоча б для заміщення тієї частини природного газу, який ми купуємо в Росії по $230 за 1000 кубометрів. Але політики нашої країни все ніяк не можуть відкрити очі на цей факт. Ймовірно, заважає газ [19].

За затвердженою програмою розвитку ВДЕ – White Paper, в країнах Євросоюзу вирішено досягти 12% в загальному енергоспоживанні за рахунок ВДЕ в 2010 році (ще в 1997 році ця цифра складала 5,4%). Хоча сьогодні Євросоюз вже обговорює свої нові цілі – досягти частини відновної енергії в енергоспоживанні своїх країн до 20% в 2020 році (зокрема, уряд ФРН пропонує встановити для ЄС ціль на рівні 30%, а для своєї країни – на рівні 40%). Згідно з розрахунками пов'язані з цим додаткові витрати на споживача, з урахуванням економії традиційних енергоносіїв, складуть всього близько 1 євро в місяць. [19]

Таблиця 2.

Енергетичний потенціал біомаси та торфу в Україні [19]

1.2 Біогазова установка (БГУ)

Комплект устаткування, що включає місткість для нагромадження і зберігання гною, ферментер або реактор, камеру для бродіння, метантенк, резервуар, або газгольдер, газозбірник, і використовується для виробництва біогазу із застосуванням анаеробної ферментації біомаси гною або субстрату іншого походженнія. БГУ включає також обладнання для нагрівання і перемішування, систему трубопроводів, насоси і газові компресори, центрофугальні пристрої, контрольно-вимірювальну апаратуру і засоби автоматизації [15].

Субстрат до БГУ надходить безперервно або через певні проміжки часу (безперервна, або проточна, система). При цьому кожного разу об'єм нативного, що завантажується, і збродженого гною має бути однаковим. При такій технологічній схемі забезпечується найвища продуктивність БГУ. Періодична, або циклічна, система використання реакторів, яких на установці два або більше, передбачає почергове заповнення їх свіжим неперебродженим субстратом. Обов’язковим є неповне звільнення реактора від збродженого субстрату, який відіграє роль затравки. Через кілька діб після заповнення бродильної камери розпочинається метаногенез, інтенсивність якого після досягнення максимуму знижується. Для безперебійного і рівномірного забеспечення споживача біогазом при такій системі роботи БГУ потрібно об'єднувати кілька реакторів у блок [5].

При системі з періодичним використанням реактора бродильні камери використовуються менш ефективно, ніж при системі з безперевним режимом його роботи.

Періодичність заповнення реактора потребує будівництва гноєсховища. Щоб запобігти потраплянню повітря під час вивантажування субстрату, реактор потрібно заповнювати біогазом з додаткових місткостей.

Система, при якій камера одночасно виконує роль реактора і місткості для тимчасового зберігання шламу, дістала назву акумулятивної, або басейнової. Прикладів використання такої системи безпосередньо в умовах виробництва мало.

Бродильні камери, або реактори, є основними складовими БГУ. Рентабельність біогазового виробництва значною мірою залежить від конструктивних особливостей бродильної камери. У діючих БГУ переважають реактори овальної і циліндричної форми. У таких реакторах з найменшими витратами можна перемішувати субстрат, вивантажувати седимент, видаляти біогаз і руйнувати кірку. У реакторах циліндричної форми умови для перемішування субстрату дещо гірші, ніж у реакторах овальної форми. Надавши реактору циліндричної форми похило-горизонтального положення, можна зручніше розмістити обладнання для перемішування і створити кращі умови для видалення шламу. При будівництві реактора використовують бетон, залізобетон, сталевий лист, склопластик. Еластичні реактори будують з використанням прогумованого матеріалу або пластмаси, надаючи їм овальної форми. Реактори заглиблюють у грунт, і при розміщенні на поверхні огороджують жорсткими конструкціями. В усіх випадках бродильна камера повинна мати абсолютну герметичність, теплоізоляцію і корозійну стійкість. Усередині бродильної камери має підтримуватися постійна температура, для чого обладнано нагрівальні пристрої. З цією метою використовують тепло видаленого з реактора шламу. Для поповнення втрат тепла передбачається додаткове підведення його, на що витрачається орієнтовно 30 % енергії виробленого біогазу. Відомо кілька технічних рішень нагрівальних пристроїв, що використовуються на БГУ.

Для перемішування біомаси в бродильних камерах встановлюють механічні й гідравлічні пристрої. Використовують з цією метою і вироблений біогаз, який подають у реактор компресором. Регламентованою умовою при перемішуванні є швидкість переміщення субстрату, яка не повинна перевищувати 0,5 м/с. При більших швидкостях розриваються оболонки клітин мікробів [17,5].

1.3 Досвід впровадження біогазових установок у світі і в Україні

Утилізація біомаси, у тому числі й гною, здійснюється з метою організації безвідхідного виробництва і захисту навколишнього середовища, а також для добування екологічно чистого конкурентоздатного енергоносія. Тепер більш як у 60 країнах світу екологічну і енергетичну проблеми якоюсь мірою намагаються вирішити за рахунок створення БГУ. Найпростіша технічна схема, коли біомаса під час бродіння не підігрівається і не перемішується, реалізується в регіонах з жарким кліматом. Прикладом такого технічного рівня є БГУ «Габор» (КНР), в якої метантенк і газгольдер заглиблені в землю і суміщені. Біомаса зброджується протягом 40 і більше діб. На 1 м3 об'єму бродильної камери, корисний об'єм якої дорівнює 8—10 м3, вихід біогазу становить близько 0,3—0,5 м3. Переробка біомаси в установках такого типу не регулюється і не контролюється. Добутий біогаз використовують переважно для побутових потреб. Вироблений на великих БГУ біогаз використовується для виробництва електроенергії. В КНР мають щороку таку кількість біомаси, переважно відходів сільськогосподарського виробництва, яка еквівалентна 136,6 млн м3 біогазу.

Ефективнішими виявилися БГУ, в яких здійснюється обігрівання субстрату, що зброджується, його перемішування, а також подрібнення біомаси перед завантажуванням у бродильну камеру. Установками такого типу є модель «Дормштадт» і її поліпшений варіант. У них з 1м3 метантенка мають в чотири рази більше біогазу, ніж на БГУ «Габор». Проте і в цих установках є конструктивні недоробки: недостатні тепло- і гідроізоляція, можливість утворення застійних зон при перемішуванні маси, а також потреба руйнування поверхневої кірки, яка утворюється при виділенні біогазу. В газових установках «Липп», «Райки», «МББ», «БИМА», створених у ФРН в останні роки, зазначені недоліки частково усунено завдяки створенню двокамерного метантенка і двокамерного газгольдера, що дало змогу впровадити двоступінчастий процес зброджування біомаси. При цьому підготовлена до переробки і підігріта біомаса спочатку надходить у першу камеру, а потім у камеру, розміщену в центрі метантенка. У першій камері, де відбувається процес утворення органічних кислот, підтримується температура 35 °С. У другій камері відбувається термофільний процес (55 °С). Завдяки наведеним та іншим конструктивним удосконаленням є можливість добування 7 м3 біогазу з розрахунку на 1 м3 бродильної камери. Спеціалісти Німеччини вважають, що БГУ можуть бути рентабельними тільки тоді, коли добове виробництво біогазу з розрахунку на одну умовну голову худоби становить понад 1 м3. У вдосконалених БГУ вихід біогазу з розрахунку на одну умовну голову худоби становить 1,2— 1,4 м3, а на 1 м3 бродильної камери виробляється 2 м3 біогазу. В ФРН кількість БГУ, які експлуатуються, перевищує 150. В інших країнах Європи кількість діючих БГУ становить орієнтовно: в Швейцарії 100, в Франції 60, у Великобританії 50. В Японії працює близько 10 БГУ. Потенціальні запаси гнойової біомаси в цій країні дають змогу на 18 % задовольнити потреби сільськогосподарського виробництва в енергії. Грунтовно підготовлена програма виробництва біогазу з успіхом реалізується в США. Розрахунки свідчать про те, що добутий з відходів сільськогосподарського виробництва біогаз, може задовольнити потреби цієї галузі в енергії. Розроблено проекти збудовано БГУ середніх розмірів (з об'ємом бродильних камс 100—190 м3), а також створено великі установки, які в змозі щодоби переробляти 500 і більше тонн гною з щодобовим виходом 43,2-73,0 тис. м3 біогазу [15].

В СРСР здійснюються роботи з визначення оптимальних умов утилізації біомаси з метою створення рентабельної безвідходної тех- нології. У виконанні їх беруть участь науково-дослідні, проектні установи і виробничі колективи АН СРСР, ВАСГНІЛ та ін.

Продуктивність експериментальної БГУ, яка працює в радгоспі «Рассвет» Запорізької області, становить з розрахунку на 1 м3 бродильної камери 3 м3 біогазу (Р. А. Мельник, 1985). З 1973 р. в Чехословаччині успішно працює БГУ великої потужності (місткість дво; бродильних камер становить 6 тис. м3). Крім біогазу з утилізованого гною свиней і осаду міських стічних вод протягом року виробляється більше 3 тис. т добрив, 6 т сірки і 70 тис. м3 води, яку використовують для поливу. В Угорщині і Болгарії працює кілька БГУ з добовим виходом 1000 м3 біогазу, який за енергетичною цінністю еквівалентний 600 л дизельного палива. Таку кількість біогазу мають з біомаси від 2500 свиней. Країни, які здійснюють імпорт нафти, газу та інших носіїв енергії, з виробництвом біогазу пов'язують надії на заміну імпортних джерел енергії біогазом, а також на оздоровлення навколишнього середовища. Так, у Чехословаччині річного потенціалу гнойової біомаси досить для виробництва 4 млрд м3 біогазу, а імпортується 3,6 млрд м3. Для підвищення рентабельності виробництва біогазу проводяться дослідження щодо вдосконалення БГУ. Створюються активні метаногенні штами із застосуванням методів генетичної інженерії, вводяться в біомасу, що утилізується, метанол, ацетат, целюлоза та інші речовини для прискорення процесу нагромадження щільної метаногенної мікробної асоціації, вивчаються способи попередньої підготовки гною, впроваджуються системи автоматизованого управління БГУ і програми ЕОМ для оптимізації конструктивних і експлуатаційних параметрів цих установок.

Перші біогазові установки (БГУ) виникли ще до створення наукових основ метаногенезу. В Індії (Бомбей) вони були вже в 1900 р. У 1918 р. аналогічні установки з’явилися в Німеччині, у 1928 — в Англії, у 1930 р. — у США. БГУ були спробою імітації природних процесів розкладання органічної речовини в болотах із виділенням болотного газу, що містить метан.

В Індії акцент було зроблено на сімейні й громадські біогазові установки. До 1993 р. там налічувалося близько 1,85 млн БГУ. Програма децентралізації виробництва енергії, ініційована урядом Індії в 1995 р., забезпечила підтримку проектів з виробництва енергії у сільських громадах з використанням біогазу одиничною потужністю від 10 до 15 МВт. Широко розвинулося сімейне й громадське одержання біогазу в Китаї. Наприкінці 1978 р. там функціонувало 7,15 млн БГУ. У 1995 р. сімейні БГУ Китаю виробляли 1,3 млрд м3 біогазу. Але, крім сімейних, у країні є ще 600 великих і середніх БГУ, що використовують відходи від тваринництва і птахівництва, а також від виноробних і спиртових виробництв. Китай — єдина країна у світі, що має спеціалізований науково-дослідний інститут (м. Ченду). При інституті функціонує навчальний центр з підготовки спеціалістів для країн Азії і тихоокеанського басейну.

В Європі нині діють близько 6400 БГУ різних типів. На них виробляють 10,37 ТВт·ч електро - і 36,53 ПДж теплової енергії на рік. Зокрема, у Німеччині на сільгоспвідходах працюють близько 400 БГУ з об’ємами метантенків до 600–800 м3. У період з 1995 до 1998 рр. було побудовано 8 централізованих БГУ, і сумарна місткість усіх працюючих метантенків досягла 190 тис. м3. Досить широко поставлена справа одержання енергії за допомогою БГУ у Великобританії, Австрії, Італії, Данії, Швеції, Голландії.

На Американському континенті БГУ одержали менше поширення, ніж у Європі. У США на спеціалізованих комплексах ВРХ і свинофермах експлуатуються понад 10 великих установок, які характеризуються великою продуктивністю за вихідною сировиною: 500 і більше м3/добу. Для Канади характерні дрібніші установки, оскільки там законодавчо обмежена велика концентрація поголів’я тварин. Характерною для США і Канади є та обставина, що біогазова технологія переважно розглядається як локальний природоохоронний захід і меншою мірою як енергетичний. У США останнім часом виявляють інтерес до систем очищення біогазу від двоокису вуглецю і доочищення стоків після метанового зброджування, про що свідчить факт закупівлі комплексу устаткування з очищення біогазу в Україні (Сумське об’єднання ім. М.В. Фрунзе в 2001 р. поставило до США дослідний зразок такої установки).

Розвиток біогазових технологій в Україні почався зі спорудження у 1959 р. у Запорізькій філії Всесоюзного науково-дослідного інституту електрифікації сільського господарства установки, розрахованої на переробку гною від 150 дійних корів і 20 свиноматок. З 1984 р. в галузі технології метанового зброджування працює Українське науково-проектне об’єднання “УкрНДІагропроект”, а також Інститут мікробіології і вірусології АН України (Київ). На основі їхніх робіт було створено дві дослідно-промислові БГУ. Одну — на птахофабриці “Київська” (об’єм метантенка — 20 м3, продуктивність — до 60 м3 біогазу з 2 м3 посліду за добу); друга — у свинорадгоспі “Росія”, Черкаська область (об'єм метантенка — 160 м3, продуктивність за біогазом — 200–250 м3/добу). Промислові зразки БГУ були створені Запорізьким конструкторсько-технологічним інститутом сільськогосподарського машинобудування (“КОБОС-1”, 1983 р.) і Сумським машинобудівним об’єднанням ім. М.В. Фрунзе (“Біогаз 301С”, 1984 р.). Установка “КОБОС-1” з об’ємом метантенка 250 м3 була установлена в с. Гребінки Київської області, і ще кілька аналогічних БГУ продано в Росію. Установка „Біогаз 301С” 20 років пропрацювала в підсобному господарстві Сумського НПО ім. М.В. Фрунзе. За розробкою Сумського ВНДІКомпресормаш створено установку „Біогаз 2-401С” продуктивністю 20 м3/добу за вихідною сировиною для підсобного господарства Уфімського машинобудівного заводу.

На рівні дослідницьких і експериментальних робіт БГУ займається низка установ України, як-от: — Інститут технічної теплофізики НАН України; — Інститут електродинаміки НАН України; — Український інститут досліджень навколишнього середовища і ресурсів — Український державний лісотехнічний університет; — Український науковий центр технічної екології (Донецьк).

Деякі установи і підприємства мають власні експериментальні зразки БГУ. Зокрема, фастівське ВАТ Машинобудівний завод “Червоний Жовтень” разом із київською науково-виробничою фірмою “Альтек” створили малогабаритну біогазову установку з об'ємом метантенка 2–4 м3, призначену для переробки відходів ВРХ. Дніпропетровське ЗАТ “Об’єднана інжинірингова компанія" розробляє і виготовляє БГУ з об’ємами метантенків 3 і 6 м3 для індивідуальних господарств.

За проектом Сумського НВО ім. М.В. Фрунзе і донецького Українського наукового центру технічної екології (УкрНТЕК) у Харківській області (с. Н-Мажарове) будується установка „Біогаз 5–61С”. Вона призначена для переробки відходів ВРХ, її продуктивність за вихідною сировиною — 50 т/добу. Одержуваний біогаз має використовуватися для виробництва 640 Гкал/рік теплової енергії, тверда фракція — як органічне добриво, а рідкі стоки — для зрошення. БГУ впроваджується за фінансової підтримки Комітету енергозбереження України.

УкрНТЕК розробив також проекти установок „Біогаз 6 МГС3”, „Біогаз 15 МГС1”, „Біогаз 50 МГС1” для малих фермерських господарств Донецької і Сумської областей. Установку „Біогаз 6 МГС3" у 2003 р. змонтовано і запущено в одному з фермерських господарств поблизу міста Лімасол на Кіпрі.

Отже, в Україні біогазова технологія перебуває нині в стадії переважно експериментальних зразків і пілотних проектів [54,5,20].

1.3 Оптимізація роботи БГУ

Комплекс організаційно-технологічних і технічних заходів, спрямованих на забезпечення рентабельного ведення біогазового виробництва. Для оптимізації потрібна інформація про хімічний склад гнойової або іншої біомаси і про кількість її протягом дня і року. Від однієї корови масою 500 кг за добу з гноєм дістають 4,8 кг сухої органічної речовини, з якої утворюється 1,0—2,4 м3 біогазу. Еквівалентний об'єм біогазу мають з гною, що надходить протягом доби від дев'яти свиней на відгодівлі (живою масою 60 кг) або п'яти свиноматок. Для виробництва біогазу використовують також відходи рослинництва [16,17].

При виробництві біогазу потрібна оптимізація співвідношення С : N. Цей параметр коригують внесенням в утилізовану біомасу відходів з високим вмістом азоту, наприклад, курячого посліду або гною свиней.

Інтенсивність метаногенезу залежить від величини рН гною. При використанні дезинфікуючих препаратів, засобів, виготовлених на-основі лужних речовин, рН гною підвищується до 8,0—8,5. Є приклади, коли рН гною на свинарських комплексах було нижчим 7,0. При використанні в БГУ курячого посліду токсичність виникає внаслідок підвищеного вмісту в поживному середовищі аміаку. Оптимізації середовища досягають додаванням подрібненої біомаси з високим вмістом вуглецю. Кращою складовою для поліпшення співвідношення С : N є солома.

 Оптимізація роботи БГУ включає і визначення джерел використання біогазу. Енергія біогазу може бути-використана як для утилізації гною та задоволення потреб тваринницького комплексу, так і з іншою метою. Графік підключення споживачів біогазу є важливою умовою оптимізації роботи БГУ. Найефективнішим є використання біогазу для виробництва електроенергії. Тепло, яке утворюється в процесі трансформації енергії біогазу в електричну, використовують для підтримання температурного режиму в біореакторі, для підігрівання води та інших потреб. Найбільш рентабельною вважається заміна мазуту на біогаз, оскільки добута з біогазу енергія приблизно на 30 % дешевша. Діоксид вуглецю, що міститься в біогазі, доцільно використовувати як консервант кормів і для підвищення ефективності фотосинтезу в теплицях. Зменшення вмісту вуглецю в шламі супроводжується зміною співвідношення С : N у бік зменшення. Наявність калію і фосфору надає шламу властивостей високоякісного добрива, в якому поживні речовини містяться в доступній для рослин формі і співвідношенні. Внесення в грунт шламу, який не має специфічного запаху, доцільне і з екологічної точки зору [16].

Надосадова рідина також не має неприємного запаху. У цій рідині вміст органічних речовин на 80 % менший, а її біологічна потреба в кисні на 80 % нижча, ніж до анаеробної ферментації. За санітарно-гігієнічними показниками надосадову рідину можна спустити в каналізаційну мережу чи водоймища, хоч це суперечить ідеї безвідхідного виробництва. Рентабельність виробництва біогазу підвищується, якщо надосадову рідину використовують як поживне середовище для вирощування гідробіонтів, які потім можна ввести в раціони сільськогосподарських тварин або використати їхню біомасу для виробництва біогазу. При цьому ще раз слід звернути увагу на великі втрати азоту при аеробному розкладанні біомаси. Так, з 37 кг азоту, що міститься в гної, після аеробної обробки його в грунт повертається лише 12—15 кг, тоді як при анаеробній ферментації в грунт надходить 36 кг (В. В. Алексеев, М.Я. Лямин, 1985) [9,5].

2. МАТЕРІАЛ І МЕТОДИКА ВИКОНАНОЇ РОБОТИ

Матеріалом для написання випускної роботи послужили дані взяті під час проходження виробничої практики в СТОВ „Пологівське” Васильківського району Київської області. Дані були зібрані із річних звітів в період з 2004 по 2006 роки.

На основі вихідних даних по господарству проведено теоретичні розрахунки параметрів біоконверсії гнойової біомаси методом анаеробного метанового зброджування. Розрахунки проводились за допомогою методичних вказівок кафедри Екології та біотехнології БНАУ.

Основні етапи проведення розрахунків:

·        Визначення виходу гнойової біомаси на господарстві;

·        Визначення параметрів БГУ за оптимізованих параметрів зброджуваної біомаси;

·        Визначення рентабельності біогазового виробництва, враховуючи коефіцієнт виходу товарного біогазу;

·        Визначення еквівалентних кількостей традиційних енергоносіїв, які вдасться зекономити впровадивши дану технологію

3. ВЛАСНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

3.1 Характеристика господарства

Сільськогосподарське товариство з обмеженою відповідальністю “Пологівське” розташоване у Васильківському районі Київської області. Відстань від районного центру складає 41 км, від обласного центру міста Києва – 76 км.

Підприємство “Пологівське” розташоване у Лісостеповій зоні України для якої характерний помірнокліматичний клімат. Землі господарства однорідні, являють собою чорнозем з вмістом гумусу у верхньому шарі від 1,8 до 3,2 %.

Рельєф сільськогосподарських угідь в основному рівнинний, але є невеликі підвищення і яри. Ерозії ґрунтів не спостерігаються. Загальна вирівняність ґрунтів господарства дає змогу для механізованого обробітку сільськогосподарських угідь, посіву і збору урожаю, транспортуванню продукції.

Вегетаційний період розвитку сільськогосподарських культур розрахований на 180-200 днів. В цьому природнокліматичні умови зони сприяють вирощуванню на орних землях зернових та технічних культур. Середньорічна температура повітря складає +5,6оС, максимальна становить +35,8оС, мінімальна - 29,5оС, середньорічна кількість опадів 495 мм.

Вітри переважно західні та північно-західні. Відносна вологість повітря становить 60-65%.

В СТОВ “Пологівське” одна автотранспортна дільниця. На території молочно-товарної ферми розташована конюшня. Площа ріллі становить 2180,4 га.

Структура посівних площ, урожайність сільськогосподарських культур та рівень виробництва кормів приведено в таблиці 3.

Таблиця 3.

Структура посівних площ, урожайність сільськогосподарських культур

Із структури посівних площ господарства бачимо, що найбільшу питому вагу в площі посівів займають зернові культури, яка складає 43,7%, кормові культури 41,48%. Із зернових культур найбільш вирощується озимих зернових, але їх площа за останні три роки не змінилася і становить 100% від 2004 року.

З кормових культур найбільше висівають кукурудзу на силос і зелений корм, що становить відповідно 17,2%.

Аналізуючи урожайність культур, необхідно відзначити, що в 2003 році знизилась урожайність всіх культур за винятком цукрового буряка. Особливо знизилася урожайність соняшнику та картоплі, яка у 2004 році складала за соняшником 20,38 ц/га, а у 2006 році 5,7 ц/га та за картоплею 41,6 ц/га і 10 ц/га відповідно. Площа ріллі збільшилася на 420 га і складає 2140 га.

Наявність поголів’я тварин і виробництво продукції показано в таблиці 4.

Таблиця 4.

Наявність поголів’я тварин, продуктивність та виробництво продукції

Дані таблиці 2 свідчать про те, що в 2006 році поголів’я ВРХ збільшилось на 6,4 %, поголів’я корів збільшилось на 9,1%. Помітно підвищився надій на середньорічну корову і склав у 2006 році 5200 кг молока, що на 50% більше ніж у 2004 році. Середньодобові прирости ВРХ в 2006 році склали 360 г., що є низьким показником і він на 11,3 % нижчий за показником 2004 року. Зріс вихід телят на 100 корів і становив у 2006 році 94,2 гол.

Аналізуючи галузь свинарства слід відмітити збільшення поголів’я на 15% за останні 3 роки, але знизився на 25,8% вихід поросят від однієї свтноматки.

Валове виробництво молока зросло на 37,4% за рахунок підвищення молочної продуктивності корів.

Динаміка собівартості і затрат праці на основні види продукції показана у таблиці 5.

Таблиця 5.

Динаміка собівартості і затрат праці на основні види продукції

Собівартість продукції знаходиться в прямій залежності від розмірів затрат праці і в оберненій залежності від урожайності сільськогосподарських культур і продуктивності праці.

Аналізуючи дані таблиці 3 можна зробити висновок, що затрати робочого часу на виробництво деяких видів продукції тваринництва з року в рік зменшується.

Спостерігається збільшення затрат праці на виробництво кукурудзи на силос та сіна багаторічних трав на 5% та 21,9 % відповідно.

Знизилася собівартість продукції тваринництва за рахунок зниження собівартості кормів, затрат праці і нормативної годівлі тварин.

Одним із шляхів підвищення ефективності сільськогосподарського виробництва є його концентрація і спеціалізація. Спеціалізація господарства визначається за структурою товарної продукції, що виробляється та реалізується господарством. За структурою товарної продукції можна визначити, яка галузь в господарстві займає провідне положення, що свідчить про напрямок виробництва.

Структура товарної продукції господарства наведена в таблиці 6.

Таблиця 6.

Структура товарної продукції

Згідно даних таблиці 4 спеціалізація в 2006р в порівнянні з попередніми роками змінилася. Реалізація продукції тваринництва у 2006р складає 47,2%, що на 14% менше у порівнянні з 2004р.

Виробництво товарної продукції рослинництва з 38, 8% у 2004р збільшилося до 52,8% у 2006р.

Отже з даної таблиці видно, що господарство має молочно-буряковий напрямок господарювання.

Результати виробничо-фінансової діяльності господарства показані в таблиці 7.

Таблиця 7.

Результати виробничо-фінансової діяльності господарства

3.2 Розрахунки параметрів біоконверсії гнойової біомаси в біогаз

Визначення кількості гнойової біомаси для одержання біогазу

Одним із важливих факторів, що впливають на об'єм біогазу, є вид біомаси, яка зброджується. Це пояснюється значними відмінностями в хімічному складі гнойової біомаси від різних видів сільськогосподарських тварин. Тому проектування об'єму метантенка (бродильної камери) БГУ починають із збору даних про вид тварин, поголів'я та об'єм гнойової біомаси, яка підлягає утилізації.

Розрахунок добового та річного виходу гнойової біомаси.

Вихід гнойової біомаси залежить від багатьох факторів; виду та віку тварин, типу годівлі, способу утримання, технології видалення та накопичення гнойової маси.

Добовий вихід безпідстилкового гною (у тоннах) визначається як сума екскрементів і кількості води, що надходить з усіх джерел у систему гноєвидалення; у випадку утримання тварин з використанням підстилки, враховується її кількість.

Добовий вихід безпідстилкового гною.

Визначається за формулою:

Qг=(МЕJ + ВJ)*,

де: Qг - добовий вихід гною, т; МЕJ- добова маса екскрементів від однієї

голови, кг (табл. 8); ВJ- добова кількість води, яка потрапляє в систему

гноєвидалення, кг; nJ - поголів'я тварин чи птиці виробничої групи, що

одночасно утримується на фермі чи комплексі, гол.

Qг=(55+0,1)*=33,06 т.

Добова кількість води (ВJ), яка потрапляє в систему гноєвидалення, озраховується за формулою:

ВJ = К*МЕJ,

де К - коефіцієнт (табл. 9).

ВJ=0,3*55=16,5 кг

1.2 Добовий вихід гнойової біомаси з використанням підстилки визначається за формулою:

Qг =(МЕJ + ВJ+ МпJ)*,

Таблиця 9.

Добова кількість води, яка потрапляє в систему гноєвидалення.

де: Qг - добовий вихід гною, т; МЕJ - добова маса екскрементів під однієї голови, кг, ВJ - добова кількість води, яка потрапляє в систему гноєвидалення, кг; МпJ - добова кількість підстилки на 1 гол., кг (табл. 10).

Qг =(55+0,1+1,5)*=33,96 т

Таблиця 10.

Норми витрат підстилкового матеріалу.

Річний вихід гнойової маси.

Qг річний =Qг доб.*t

де t- кількість діб у році (365).

Qг річний=33,06*365=12066,9 т

Річний та добовий вихід гною при стійлово-табірному утриманні.

При стійлово-табірному утриманні з використанням підстилки у приміщеннях (245 діб) і без підстилки в таборах (120 діб) річний та добовий вихід гнойової маси розраховується за формулою:

Qг річний= [(МЕJ + МпJ + ВJ)*( МЕJ+ ВJ)* tл]*

де Qг доб.=

Qг річний =[(55+1,5+0,1)*245+(55+0,1)*120]* =12287,4 т

де

Qг доб.==33,66 т

де: t- обліковий час, діб (час утримання тварин у приміщенні – tп; у літніх таборах – tл; t-365 діб).

Річний та добовий вихід гною при стійлово-пасовищному утриманні.

Qг річний = [(МЕJ + МпJ + ВJ)* tп+( МЕJ+ ВJ)*0,3*tл]*

де

Qг доб. =

Qг річний =[(55+1,5+0,1)*245+(55+0,1)*0,3*120]* =9510,36 т

де

Qг доб. ==26,06 т

Розрахунок впливу якісних параметрів гнойової біомаси на вихід біогазу

На вихід біогазу істотно впливає хімічний склад гнойової біомаси. У дослідах встановлена залежність між об'ємом одержаного біогазу і вмістом сухої речовини в біомасі. Для гною великої рогатої худоби ця залежність була прямою; для курячого посліду — оберненою, що пояснюється інгібуючою дією високих концентрацій аміаку па метануутворювальні мікроорганізми.

Оптимальними для вихідної гнойової біомаси є такі фізико-хімічні параметри: концентрація сухої речовини на рівні 8-12% (не більше 12%), вміст органічної речовини - не менше 80%, співвідношення С : Н 10-30 : 1, рН 6,5-7,5.

Для визначення вмісту сухої речовини в гнойовій біомасі необхідно мати дані щодо вологості гною, яка значною мірою залежить під способу утримання тварин та системою гноєвидалення.

Вологість гнойової біомаси, яка виходить з ферми.

Вологість безпідстилкового гною.

Wг=

де: Wг- відносна пологість гною. %; WЕ - відносна вологість екскрементів, % Z -показник, який враховує кількість води, що потрапляє в систему гноєви-далення.

WГ==88 %

Вологість підстилкового гною визначається за формулою:

WГ = WЕ-0,01*РП*( WН-WП) + 0,01*РВ*(100-WВ)

де: Wг - відносна пологість гною, %; WЕ- вологість екскрементів, %; WП- вологість підстилки (соломи) – 19,6%; РП, РВ- процентне співвідношення в гнойовій масі підстилки і води, %.

WГ =86-0,01*13*(86-19,6)+0,01*49,37*(100-86)=70,46 %

Для визначення РП, РВ розраховуємо, скільки води за добу потрапило в систему гноевидалення за формулами:

ВJ=К* МЕJ

де: ВJ- добова кількість води, яка потрапляє в систему гноєвида- лення, кг; МЕJ- добова маса екскрементів від однієї голови, кг;

К- коефіцієнт (таблиця 9).

ВJ=0,1*55=55,1 кг

РВ=

де МП- добова кількість підстилки, кг.

РВ==49,37 %

РП= 

РП==1,3 %

Вологість гною при стійлово-табірній та стійлово-пасовищній системі утримання.

При цій системі тварини можуть утримуватися 245 діб в приміщеннях з використанням підстилки і 120 діб - в таборах без використання підстилки.

Вологість гною у ньому випадку розраховується за формулою:

WГ=

де: WГ- підносна пологість гною, який поступає з ферми, %; W1- відносна пологість гною при підстилковому утриманні, %; W2- відносна вологість гною при безпідстилковому утриманні. %.

WГ==76 %

Вміст сухої речовини в гнойовій біомасі.

Для забезпечення ретабельності біогазового виробництва вміст сухої речовини в гнойовій біомасі має становити 8-12%, а органічної речовини - 85%. Це, як правило, забезпечують скребкові (транспортерні) системи прибирання гною і, навпаки, не забезпечують системи гідрозмивання та гідро сплавлення.

Ра.с.р.=

де: Ра.с.р.- вміст абсолютно сухої речовини в гнойовій біомасі; Qг- вихід гною з ферми (добовий або річний), т; WГ- відносна вологість гною, який виходить з ферми, %.

Ра.с.р.==2896,06 т

Вміст органічної речовини в гнойовій біомасі.

Дослідженнями установлено, що в гної різних видів сільськогосподарських тварин міститься у середньому до 80% органічної речовини і біля 20% неорганічної.

Кількість органічної речовини в гнойовій біомасі, яку одержують від тварин за добу та за рік, визначається за формулою:

ОР=Ра.с.р.*0,8

де: ОР - добова або річна кількість органічної речовини в гної, т (кг); Ра.с.р.- добова або річна кількість абсолютно сухої речовини, т (кг).

ОР=2896,06*0,8=2316,8 т

Визначення основних параметрів системи анаеробного зброджування гнойової біомаси (метантенка) БГУ.

До найбільш значущих параметрів системи анаеробного зброджування гнойової біомаси належать: добова продуктивність реактора або його здатність пропускати кількість гною, який виходить з ферми: добовий обсяг завантаження бродильної камери; об'єм реактора БГУ; добовий та річний вихід біогазу залежно від хімічного складу гнойової біомаси та ін.

Добова продуктивність реактора, або його пропускна здатність щодо вихідного гною.

Gдоб.=

де Gдоб- добова продуктивність щодо вихідного гною, т/добу; Qг річн.- річна кількість гнойової біомаси на фермі, т; t річн. - кількість діб у році (365); tз- тривалість випуску й обслуговування реактора, діб (у середньому 30 діб).

 Gдоб.==36,02 т/добу

Добовий обсяг завантаження метантенки, м3.

Добовий обсяг завантаження метантенка (Q доб., м3) дорівнює добовому виходу з ферми гною вологістю 88—92%.

Qдоб.=

де Qдоб.- добовий обсяг завантаження метантенка, м3; WГ1 - відносна вологість гною, який виходить з ферми, %; WГ2 - відносна оптимальна вологість гною (88-92%); Qдоб.- добовий вихід гною на фермі, т; gг- питома вага 1 м3 гною при певній оптимальній вологості (88-92%).

Qдоб.==0,44 м3

Місткість (об'єм) бродильної камери (метантенка) БГУ.

Рентабельність біогазового виробництва значною мірою залежить від об'єму бродильної камери. При її проектуванні перш за все враховується кількість гнойової біомаси, яка підлягає утилізації, та режим роботи БГУ.

VK=

де: VK- місткість бродильної камери, м3; Qдоб.- добовий обсяг завантаження метантенка, м3; р - добова доза завантаження, % (для мезофільного процесу - 7%, для термофільного процесу - 15%); g - коефіцієнт заповнення камери (у межах 0,8-0,95).

VK==7,86 м3

Об'єм газогенерації, м3 (добовий вихід біогазу).

Максимальний вихід біогазу на стадії найбільш інтенсивного мета-ногенезу залежить від хімічного складу біомаси, який визначається видом тварин і відповідно раціоном, який вони одержують.

Із 1 кг сухої речовини гнойової біомаси, внесеної в реактор біогазової установки, теоретично можна одержати в середньому 0,4-0,6 м3 біогазу. Враховуючи те, що лише 40-50% сухої речовини гною у процесі метано-генезу трансформується в біогаз, реальний вихід біогазу із 1 кг сухої речовини гною великої рогатої худоби становить у середньому 0,2-0,5 м3, а з еквівалентної маси свинячого гною - 0,3-0,7 м3 (реактор працює на ме-зофільному режимі). Із біомаси курячого посліду біогазу виходить більше, ніж із гною великої рогатої худоби або свиней (таблиця 11).

При ферментації екскрементів від однієї тварини можна отримати біогазу в середньому за добу: великої рогатої худоби (жива маса 500-600 кг) 1,5 м3, свині (жива маса 80-100 кг) 0,2 м3, курки або кроля -0,015 м3.

Крім кількості сухої речовини, суттєвим параметром, який впливає на вихід біогазу, є вміст та склад органічної речовини, особливо кількість жирів, білків, вуглеводів.

Таблиця 11.

Вихід біогазу (метану) при анаеробному зародженні сільськогосподарських відходів.

Вуглеводи, як правило, знаходяться у формі поліцукрів і тому вимагають більш тривалої ферментації. Помітно знижується утворення біогазу в присутності лігніну, тому що він в процесі метанового бродіння практично не розкладається.

Співвідношення кількості біогазу, який може бути виділений із органічної речовини гнойової біомаси дійних корів (Д), відгодівельних бичків (Б), свиней (С) і курей (К) в процесі метанового бродіння при мезофільній температурі орієнтовно може бути таким: Д:Б:С:К = 5:7:8:10.

Добовий вихід біогазу розраховується за формулами з врахуванням вмісту в гнойовій біомасі сухої (ф. 19) або органічної (ф.20) речовин:

VГ=

де: VГ - добовий або річний вихід біогазу, м ; Ра.с.р. - добова або річна кількість сухої речовини, т (кг); Z - стан розкладання органічної речовини, % (30); К - коефіцієнт роз чинності біогазу (1,1-1,5); v - питома вага біогазу (при вмісті за об'ємом: метану 65 % та діоксиду вуглецю 35 % -дорівнює 0,00117 т/м3 або 1,17 кг/м3).

VГ==675072,26 м3

VГ= Ра.с.р*К*р

де: VГ - добовий або річний вихід біогазу, м ; Ра.с.р. - добова або річна кількість сухої речовини, кг; р - вихід біогазу з 1 кг органічної речовини: гній врх - 0,2-0,5 м3;

гній свиней — 0,3-0,6 м3;

послід курей - 0,5-0,7 м3;

К - коефіцієнт зброджування органічної речовини (0,3).

VГ=2896,06*0,3*0,2=173,76 м3

Визначення виходу залишкової продукції.

Після зброджування гнойової біомаси і одержання біогазу залишається тверда фракція гною (шлам) і надосадова рідина (рідка фракція). Кількість твердої і рідкої фракції залежить як від вологості гною, який завантажується, так і вологості фракцій, які одержуємо (твердої і рідкої).

В середньому з 1 кг органічної речовини, біологічно розкладеної на 70 %, можна одержати 0,5 кг біогазу, 0,2 кг води і 0,3 кг нерозщепленого залишку шламу.

Поділ біомаси після зброджування в реакторі на тверду і рідку фракції можна проводити з допомогою сепаратора (центрифуги) або віброгрохота.

Вихід твердої фракції (шламу).

Тверда фракція гною містить значну кількість поживних речовин і може використовуватись як цінне знешкоджене органічне добриво або кормові добавки.

Анаеробна ферментація гнойової біомаси супроводжується зменшенням у шламі майже на 50 % сухої органічної речовини порівняно з вихідним гноєм за рахунок включення 10—15 % вуглецю субстрату у мікробіальну масу, а також у такі компоненти біогазу, як метан і діоксид вуглецю.

Склад шламу залежить від хімічного складу вихідної сировини, а також параметрів процесу біометаногенезу.

При зброджуванні гною в ньому зберігаються необхідні для рослин біогенні елементи (N, Р, К) і поживні речовини знаходяться в більш доступній формі, що забезпечує підвищену біологічну активність шламу як органічного добрива. Крім того, шлам містить значну кількість білків і вітаміну В12, за рахунок чого його можна використовувати як білково-вітамінну кормову добавку.

Річний вихід твердої фракції визначається за формулою:

Мш.річн.=Qг річн.*

де: Мш річн.- річна маса шламу, т; Qг річн - річний вихід гною, т; Wg - вологість рідкої фракції, % (98-99); WГ - вологість гною, що завантажується, % (88-92); WШ - вологість шламу, % (87).

Мш.річн.=12066,9*=10860,21 т

Відносний вихід шламу:

Мш.річн.=

Мш.річн.==90 т

Добовий вихід шламу визначається за формулою:

Мш.доб.=

Мш.доб.==29,7 т

Вихід рідкої фракції

Рідка фракція містить у середньому: сухої речовини - 1,0-5,0; органічної речовини - 0,25-4,2; фосфору - 0,05-0,7; азоту - 0,31 1,14; рН рідкої фракції - 6,5-8,3.

Рідка фракція після анаеробної переробки гною відповідає вимогам, які пред'являються органами охорони природи до якості стічних вод.

Оскільки вона містить значну кількість поживних речовин, то може використовуватись як рідке органічне добриво, а також може бути субстратом для вирощування гідробіонтів (мікроводоростей) і частіше спіруліни (синє-зеленої водорості), яка в свою чергу, є цінною білковою і вітамінно-мікромінеральною кормовою добавкою до раціонів сільськогосподарських тварин, а також сировиною для фармацевтичної промисловості.

Річний вихід рідкої фракції визначається за формулою:

Мg.річн.=Qг річн.*

де Мg.річн. - річна маса рідкої фракції, т.

Мg.річн.=12066.9*=1086.02 т

Відносна кількість рідкої фракції:

Мg.річн.=

Мg.річн.==13104906 %

Добовий вихід рідкої фракції визначається за формулою:

Мg.доб.=

Мg.доб.==2.98 т

Визначення виходу товарного біогазу.

Товарний біогаз - це частка біогазу від загальної кількості біогазу, який отримують а процесі анаеробного бродіння, з якого можна одержати теплову або електроенергію, або замінити біогазом природні носії енергії (природний газ, нафту, дизпаливо, бензин тощо). Частина отриманого біогазу використовується для підігрівання біомаси, що зброджується.

Вихід товарного біогазу залежить від кількості біогазу, який використовується для підігрівання зброджувальної біомаси та витрат теплової енергії при анаеробному бродінні, які у свою чергу залежать від природно-кліматичних умов, розміщення господарства, режиму роботи, складу і конструкційних особливостей БГУ.

Визначення теплової енергії, необхідної для підігрівання біомаси.

бгу=С* Qг річн*

де:бгу- теплова енергія, необхідна для підігріву гною до температури бродіння, МДж; Qг річн - річна кількість гною, яка виходить з ферми, кг;  - різниця температури зброджування і температури вихідного гною (t збр -- t гною), °С; С - питома теплоємність рідкого гною(4,19).

бгу=4,19*12066,9*20=1011206,2 МДж

t збр залежить від режиму роботи БГУ, а t° вихідного гною складає у теплий період року (245 діб) в середньому +20°С; в холодний - +10°С (120 діб).

Цей показник визначається спочатку окремо для теплого і холодного періоду року за формулами:

бгу тепл.період=С*(Qг доб.*245)*

бгу тепл.період=4,19*(26,06*245)*20=535037,86 МДж

бгу хол.період=С*(Qг доб.*120)*

бгу хол.період=4,19*(26,06*120)*20=262059,36 МДж

бгу річн.= бгу тепл.період+бгу хол.період

бгу річн.=535037,86+262059,36=797097,22

Визначення кількості біогазу, необхідного для підігріву біомаси.

Qбр=

де: Qбр- кількість необхідного для підігріву біомаси біогазу, м3 ; g - чиста теплотворна здатність біогазу (g=22).

Qбр==45963,92 м3

Частка біогазу, необхідного для підігріву гною.

н=

де: Qбг - необхідна кількість біогазу для підігріву біомаси, м3; Vг.річн.- річний вихід біогазу, м3.

н==0,068

Максимально-теоретичний коефіцієнт виходу товарного біогазу.

Ктб=1-н

де Ктб- коефіцієнт виходу товарного біогазу

Ктб=1-0,068=0,9

Визначення виходу товарного біогазу:

Vтг= Vг.річн.*Ктб

Vтг=675072,26*0,9=607565,03

Визначення коефіцієнта ефективності БГУ

Коефіцієнт ефективності характеризує енергетичний і техніко-технологічний рівень БГУ.

Кеф.=

де Qбгу повн.- повна теплова енергія, яка виробляється БГ'У, МДж; Визначається таким чином: Vг. річн * 22 МДж; ЕБгу - теплова енергія, не обхід-

на для підігріву гною до температури бродіння, МДж.

Кеф.==2,49

Визначення рентабельності біогазового виробництва.

Ренгабельність біогазового виробництва визначається значною мірою конструктивними характеристиками БГУ, а також оптимізацією параметрів технологічного процесу з урахуванням конкретних природно-кліматичиих. і технолого-економічних передумов виробництва біогазу безпосередньо у господарстві (на фермі або тваринницькому підприємстві).

Рентабельність визначається за технологічними і економічними показниками.

До технологічних показників відносяться: Vг - обсяг газогенерації (річний та добовий) та вихід біогазу на 1 гол., 1 кг сухої та органічної речовини, 1 кг гнойової біомаси і 1 м3 корисної площі реактора.

Vг доб/гол.==0,6 м3

Vг річн/гол==2143,09 м3

Vг доб/Ра.с.р..==0,32 м3

 Vг річн/Ра.с.р.==3,38 м3

 Vг доб/О.р..==0,39 м3

 Vг річн/О р.==4237,74 м3

 Vг доб/Р б.==0,05 м3

 Vг річн/Р б.==0,54 м3

 Vг доб/КПР.==3,21 м3

 Vг річн/КПР.==12478,23 м3

Економічна оцінка визначається можливістю одержати з біогазу певну кількість теплової та електроенергії і заміни біогазом природних носіїв енергії.

При проведенні розрахунків необхідно врахувати енергетичні еквіваленти біогазу:

- теплотворна здатність 1 м3 біогазу складає 20-22 МДж;

Тзд=173,76*20=3475,2 МДж

Тзд=675072,26*20=13501445 МДж

- енергетична цінність 1 м3 біогазу:

- 1 м3 біогазу дає можливість виробити 1,6 - 2,3 квт/год. електроенергії;

Едоб=173,76*1,6=278,016 квт/год.

Ерічн=675072,26*1,6=1080115,6 квт/год.

- 1м3 біогазу еквівалентний енергії, яка міститься в:

0,65 м3 природного газу

Екв Едоб=173,76*0,65=112,9 м3

Екв Ерічн=675072,26*0,65=438796,9 м3

0,7 л нафти

Екв Едоб=173,76*0,7=121,6 л

Екв Ерічн=675072,26*0,7=472550,6 л

0,65 л дизпального

Екв Едоб=173,76*0,65=112,9 л

Екв Ерічн=675072,26*0,65=438796,9 л

0,64 л бензину

Екв Едоб= 173,76*0,64=111,2 л

Екв Ерічн=675072,26*0,64=432046,2 л

0,6 л керосину

Екв Едоб= 173,76*0,6=104,3 л

Екв Ерічн=675072,26*0,6=405043,3 л

3,5 кг дров

Екв Едоб= 173,76*3,5=608,2 кг

Екв Ерічн=675072,26*3,5=2362752,9 кг

1,5 кг кам'яного вугілля

Екв Едоб= 173,76*1,5=260,6 кг

Екв Ерічн=675072,26*1,5=1012608,3 кг

Найбільш рентабельним є виробництво із біогазу електроенергії (загальний ККД з урахуванням тепла, яке утворюється при виробництві електроенергії, досягає 80-85%, а безпосередньо в електроенергію перетворюється 33% хімічної енергії біометану).

4. ОХОРОНА ПРАЦІ

Заходи щодо забеспечення безпеки при одержанні і використанні біогазу.

При експлуатації обладнання для отримання біогазу і його використання необхідно враховувати вибухонебезпечність метану. Небезпека вибуху виникає при змішуванні метану з повітрям у співвідношенні від 5 до 15% за об'ємом. У зв'язку з цим на установці для отримання метану і в оточувальній її зоні необхідно суворо дотримуватись заходів безпеки, необхідних для попередження пожежі і вибуху.

Перелік заходів безпеки включає:

1. Ємності для газу необхідно розміщувати на достатній відстані від житлових будинків, складів і громадських доріг. Мінімально допустимі такі відстані: від будинків з м'якою покрівлею - 10 м; від будинків з твердою покрівлею- 5 м.

2. Забороняється паління і розпалювання вогню поблизу газових резервуарів (в радіусі 10 м). Встановлюються спеціальні таблички з відповідними надписами.

3. Регулярно перевіряють рівень води в резервуарі газгольдера дзвіноподібного типу і рухливість самого ковпака. Зимою необхідно попереджувати утворення крижаної кірки. Ремонт резервуарів і трубопроводів повинні проводити тільки спеціалісти (організація виготовлювач обладнання), що особливо важливо для усіх робіт, які виконуються з відкритим полум'ям і зварюванням на газгольдері і трубопроводах.

4 Попередження виходу метану і змішування його з повітрям в обмеженому просторі включає в себе забезпеченість герметичності газопровідних ліній і вентиляцію редукційних клапанів з відводом повітря назовні,

5.Видалення повітря із газопровідних ліній шляхом пропускання по них газу до його використання.

6.Установка вогнегасників на газопровідних лініях, які проходять поблизу газоспалювальних установок.

7.Забезпечення відповідних вентиляцій в зоні газопровідних ліній.

8.Обладнання вентиляційного отвору під стелею приміщення для виходу назовні газу, щільність якого менша щільності повітря.

9.Укладання газопровідних ліній з позитивним або зворотним нахилом, з обладнанням на нижньому кінці лінії водовідокремлювача (біогаз містить водяну пару).

10. Захист газопровідних ліній і особливо водовідокремлювачів і вогнегасників від замерзання, оскільки це може перервати подачу газу, пошкодити газопровідну лінію і привести до значного збільшення тиску в метантенку або газгольдері, розрахованому на низький тиск.

11.Видалення всіх потенційних джерел іскроутворення із зони БГУ і газопровідних ліній.

12.Установка вогнегасника у місці збереження газу,

13.Резервуари для зберігання газу, що призначаються для зарядки балонів, повинні бути розраховані натиск 170 кг/см2 [8,13].

На основі проведеного аналізу можна зробити висновок, що стан охорони праці в умовах СТОВ „Пологівське” є задовільним.

ВИСНОВКИ

Найбільш ефективним і перспективним біологічним методом утилізації відходів тваринництва є метод метанового зброджування. Метанове зброджування - це складний анаеробний процес (без доступу повітря), який відбувається внаслідок життєдіяльності мікроорганізмів і супроводиться рядом біохімічних реакцій.

Отже запропонований метод утилізації гною на господарстві СТОВ „Пологівське” дають змогу вирішити цілий ряд не тільки економічних проблем, а й екологічних та санітарно-епідеміологічних проблем, що виникають в наслідок накопичення великої кількості відходів тваринництва.

Біогазове виробництво є однією з не багатьох безвідходних технологій, які виконують активну природоохоронну і ресурсозберігаючу функцію, адже воно не лише не призводить до утворення будь яких відходів, а і утилізує відходи сільськогосподарського, спирто-харчового та інших виробництв. І разом з тим, частково дозволяє вирішувати проблему збереження енергоносіїв. В умовах господарства СТОВ „Пологівське” дана технолгія дає змогу отримувати понад 675000 м3 товарного біогазу, що еквівалентно 438795 л дизпалива. А в умовах всезростаючих цін на паливомастильні матеріали це може стати серйозним економічним стимулом розвитку господарства.

Пропозиції

1.         Господарству СТОВ „Пологівське” пропоную встановити БГУ мезофільного типу роботи.

2.         Бажано замовити біогазову установку з можливістю переобладнання її для термофільного режиму роботи, що дасть змогу до 30% збільшити пропускну здатність реактора за умов збільшення поголів’я тварин.

3.         В комплексі з біогазовою установкою змонтувати генератор переобладнаний для роботи на біогазі, таким чином ми отримаємо вже біоенергетичну установку.

4.         Рекомендую шлам, який утворився в процесі метаногенезу використовувати як субстрат для вермикультивування, а рідку фракцію – фугат – для культивування мікроводорості спіруліни.

5.         Допомагати іншим господарствам з вирішенням проблем з електроенергією, пальним та органічними добривами.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1.   Білявський Г.О., Падун М.М., Фурдуй Р.С. Основи загальної екології. – К.: Либідь, 1995.-308 с.

2.   Білявський Г.О., Фурдуй Р.С. Практикум із загальної екології. – К: Либідь, 1997.-160 с.

3.   Білявський Г.О., Фурдуй Р.С., Костіков І.Ю. Основи екологічних знань. – К: Либідь, 2000 – С 180-186.

4.   Герасименко В.Г. Біотехнологічний словник. – К: „Вища школа”, 1991. – 167 с.

5.   Герасименко В.Г. Біотехнологія – К: „Вища школа” 1991

6.   Городний Н.М., Мельник И.А., Гіовхан М.Ф. и др. Биоконверсия органических отходов в биодимамическом хозяйстве. - К.: Урожай, 1990. - 256 с.

7.   Екологічні основи безвідходних технологій: Методичні вказівки та робочий зошит до виконання лабораторно-практичних робіт для студентів зі спеціальності 7.070.801 – екологія та ожорона навколишнього природного середовища / В.Г. Герасименко, С.В. Мерзлов та ін. – Біла Церква, 2006.36 с.

8.   Желібо С.П., Заверуха Н.М., Зацарний В.В.Безпека життєдіяльності. – К.: “Каравела”, 2003.- с. 243-244.

9.   Злобін Ю.А. Основи екології. – К.: Лібра, 1998.- 248с.

10.      Кормильцын В.И., Цицкашвили М.С., Яламов Ю.И. Основи екологии. - М.: Изд-во МГУ, 1997. С 310-311.

11.      Корсак К.В., Плахотнік О.В. Основи екології. Навчальний посібник. - К: „МАУП” 1998

12.      Методичні вказівки та робочий зошит до виконання лабораторно-практичних робіт для студентів із спеціальності 7.070801 – екологія / В. Г. Герасименко, М.О. Герасименко, О.М. Мельниченко та інші. – Біла Церква, 2004. – 82 с.

13.      Методичні рекомендації з написання розділу "Охорона праці" в дипломних роботах студентів агрономічного, екологічного, економічного, зооінженерного факультетів та факультету ветеринарної медицини / О.І. Розпутній, І.В. Перцьовий, С.В. Куркіна та ін. / Біла Церква. - 24с.

14.      Одум Ю. Основи екології. – М.: Мир, 1975-43 Пыстун І.П. Безпека життєдіяльності. – Суми: Університетська книга, 2000.- С 141-142.

15.    Погорелый Л.В., Луценко М.М. Биотехнические системы в жнвотноводстве. К., 1992. - С. 268-292.

16.    Пузанов А.Г., Калюжньїй С.В., Скляр В.И. Разработка методов интенсификации процесса метанового сбраживания навоза крупного рогатого скота / Биотехнология. - 1990. - № 5. - С. 49 - 51.

17.    Фокина В.Д., Хитров А.И. Переработка навоза в биогаз: Обзорная информация. М., 1981. 49 с.

18.      Швиндлерман С.П. Основы общей экологии. – Донецк: Кассиопия, 1999. – с. 100-103.

19.      http://esco-ecosys.narod.ru/2004_7/art154/page1.htm

20.      http://mkmagazin.almanacwhf.ru/mk_other/small_mech/8805_esche_raz_pro_biogaz.htm

21.      http://www.leadnet.ru/s2006/konechenkov.htm

22.      http://www.meganet.md/its/ru/reg/biogaz.html

23.      http://zhelezyaka.com/news.php?d=051025132102