Комплексная технология переработки отходов свиноводства для получения биогаза и органических удобрений для климатических условий АПК Сибири

Введение. Длительная хозяйственная деятельность человека и его потребительское отношение к природе породили множество климатологических и других изменений. Энергетика, ориентированная на сельские районы, должна способствовать использованию источников энергии, работающих на недорогих природных и возобновляемых видах топлива [1]. Устойчивое развитие сельских районов во многом связано со спросом на электрическую и тепловую энергию и их предложением, стимулированием про- цесса перехода на экологически безопасные и экономичные системы энергоснабжения сельских территорий. Это предполагает переход к диверсифицированным источникам энергии, обеспечивая использование местных возобновляемых ресурсов [2, 3].

Учитывая постоянный рост тарифов в сфере ЖКХ, отсутствие во многих сельских районах Красноярского края центрального газоснабжения, недостаточную пропускную способность и ветхость электрических сетей, постоянный рост стоимости природного газа, электрической и тепловой энергии, большие затраты на энергообеспечение отдаленных районов Красноярского края и страны в целом, было бы более чем разумным использовать для получения тепловой и электрической энергии отходы сельского хозяйства.

Следует отметить, что в решении подобных задач должно принимать участие государство, обеспечивая сельхозтоваропроизводителей законодательной и, в некоторых случаях, финансовой базой.

Успех внедрения биогазовых технологий как альтернативных источников энергии и удобрения во многом зависит от их расчетных и ожидаемых показателей эффективности. Значимость развития биогазовой отрасли обусловлена следующими обстоятельствами:

• •    увеличением доли энергетической составляющей в себестоимости сельхозпродукции;

• •    ростом электроемкости сельского хозяйства, затрат на топливо и энергию;

• •    наличием неиспользуемых сырьевых ресурсов (навоза, помета, растительных отходов и т. д.) для производства биогаза и перспективами его использования;

• •    негативным влиянием отходов животноводства и птицеводства на экологическую обстановку;

• •    сокращением количества применяемых минеральных и химических удобрений из-за их высокой стоимости.

В Российской Федерации, в соответствии со стратегическими направлениями развития сельского хозяйства, отмечается увеличение поголовья свиней. Так, за период 2008–2014 гг. оно повысилось на 20 % и достигло на начало 2015 г. 19,6 млн голов [4]. С ростом поголовья свиней соответственно возрастает и количество навоза. Как известно [5], в настоящее время в Красноярском крае за год накапливается следующее количество подстилочного свиного навоза (в тоннах) по зонам: в подтаежной – 2011,5; Красноярской лесостепи – 113 343,6; Ачинско-Боготольской лесостепи – 2402,9; Назаровской лесостепи – 222 356,0; Чулымо-Енисейской лесостепи – 30 510,0; Канской лесостепи – 32 840,9; Минусинской лесостепи – 454 319,3. В Красноярском крае массовое производство свинины налажено на таких свиноводческих комплексах, как «Шуваевский», «Малиновский», а в последние годы введены в эксплуатацию новые комплексы, такие как «Красноярский», «Агроэлита», свинокомлекс в ОАО «Солгон-ское» и другие. В связи с этим особую актуальность приобретает решение проблемы утилизации многотоннажных отходов – свиного навоза.

Биогазовые установки, как показывает российский и мировой опыт [6, 7], позволяют получать биогаз и биоудобрение, которые, в свою очередь, используются для выработки электрической и тепловой энергии, а также получения высокоэффективных удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Цель исследования: адаптация комплексной технологии производства биогаза и органических удобрений из отходов свиноводства к зональным природным условиям АПК Красноярского края.

Задачи исследования:

• 1.    Выполнить анализ технологий производства биогаза и органических удобрений из отходов свиноводства.

• 2.    Дать оценку состава твердой фракции свиного навоза после его переработки в биогазовой установке.

• 3.    Обосновать основные принципы и условия адаптации комплексной технологии производства биогаза и органических удобрений из отходов свиноводства к зональным природным условиям АПК Красноярского края.

Результаты исследования и их обсуждение. В ходе работы, совместно с работниками предприятия ОАО «Славино» (директор Камба-ров Рафиг Сатдар Оглы), был проведен анализ работы биогазовой установки предприятия (расположенной в Кемеровской области (Новокузнецкий район, поселок Чистогорский)), на котором имеется свинокомплекс на 32 000 голов. ОАО «Славино» является наиболее успешным в данном сегменте переработки отходов свиноводства как в Сибири, так и в России в целом [8]. Предприятие работает по принципиальной технологической схеме, представленной на рисунке.

Принципиальная технологическая схема получения биогаза и органических удобрений на действующей установке ОАО «Славино»

Общий объем метантенков составляет 600 м3,  ченный неочищенный биогаз используют для соответственно рабочий объем – 450 м3. Полу- покрытия тепловых нагрузок на отопление, вен-

тиляцию и горячее водоснабжение цеха переработки отходов свинокомлекса. Следует отметить, что в схему включен когенерационный блок, что позволяет получать электрическую энергию не только на собственные нужды, но и на комплекс в целом. Выход биогаза составляет в среднем 0,07 м3 с 1 кг свиного навоза влажностью 85–87 %. Учитывая, что в настоящий момент количество подстилочного (с низкой влажностью) свиного навоза по Красноярскому краю достигает ориентировочно 900 000 т в год, можно получать за указанный периодоколо 63 млн м3 биогаза. Следует учесть, что на выработку 1 кВт·ч электроэнергии необходимо 0,4–0,5 м3 биогаза. Поскольку получаемый газ не подвергается компримированию, т. е. нет сосудов и систем, работающих под давлением, упрощаются требования Ростехнадзора.

Процесс является проточным, загрузка и выгрузка исходного и конечного продукта осуществляется периодически, в соответствии с техно- логическим процессом. Далее переработанный материал направляется в сепаратор, в котором происходит разделение смеси на твердую и жидкую фракции. Жидкость представляет собой практически аммиачную воду, вывозится на поля и используется либо непосредственно для подкормки, либо накапливается в лагунах. Твердая фракция представляет собой органическое удобрение (биоудобрение), готовое для внесения в почву.

В апреле 2016 г. был произведен отбор проб твердого органического удобрения после переработки свиного навоза в биогазовой установке. Результаты анализа представлены в таблице 1.

Анализы основных агрохимических показателей биоудобрения проведены специалистами кафедры почвоведения и агрохимии ИАЭТ Красноярского ГАУ в аккредитованной испытательной лаборатории ФГБУ ГЦАС «Красноярский» согласно методам определения, представленным в таблице 1.

Таблица 1

Агрохимическая характеристика твердой фракции биоудобрения, полученного из свиного навоза после его переработки в биогазовой установке

Показатель	Свиной навоз	Метод определения
Влага, %	72,6±0,9	ГОСТ 26713-85
Зола, %	6,7±0,3	ГОСТ 26714-85
С орг , %	46,6±0,08	ГОСТ 27980-88
N-NH 4 , %	0,05±0,03	ГОСТ 26716-85
N-NO 3 , мг/кг	4,4±1,3	Справочник по анализу органических удобрений. М., 2000. Ч. 1
P 2 O 5 , мг/100 г	12,8±3,8	Справочник по анализу органических удобрений. М., 2000. Ч. 1
K 2 O, мг/100 г	42,0±1,3	Справочник по анализу органических удобрений. М., 2000. Ч. 1
Cu, мг/кг	18, 4±3,9	ГОСТ Р 53218-2008
Zn, мг/кг	48,9±10,3	ГОСТ Р 53218-2008
Co, мг/кг	Менее 0,1	МУ-1992
Mn, мг/кг	15,2±1,5	МУ-1992
Нg, мг/кг	0,0018±0,0004	МУК 4.1:1471-03
As, мг/кг	0,42±0,13	ФР.1.34.2005.02119
Рb, мг/кг	1,43±0,50	ГОСТ Р 53218-2008
Cd, мг/кг	Менее 0,1	ГОСТ Р 53218-2008
Ni, мг/кг	0,22±0,08	ГОСТ Р 53218-2008
Cr, мг/кг	0,47±0,16	ГОСТ Р 53218-2008

Органические удобрения являются необходимым элементом современного сельскохозяйственного производства. Они способствуют повышению запасов органического вещества [9]. В рамках агрономической и агроэкологической парадигм почвенное органическое вещество рассматривается в качестве источника воздушного и корневого питания растений, фактора плодородия почвы и агропроизводственного ресурса устойчивого земледелия [10]. Как видно из таблицы 1, проба твердой фракции переработанного в биогазовой установке свиного навоза характеризуется высоким содержанием органического вещества и может рассматриваться как источник для пополнения его запасов в почвах региона.

В составе минерального азота в пробе в большом количестве присутствует азот обменного аммония и отмечается низкое содержание нитратной формы азота (см. табл. 1). По мнению многих исследователей, азот нитратов и обменного аммония в физиологическом отношении являются равноценными источниками азотного питания для растений. Их запасы в почве определяют продуктивность растений. Однако некоторые ученые указывают на более энергичное поглощение нитратного азота.

С экологической точки зрения, чрезвычайно важным является вопрос о количестве вносимых органических удобрений. При систематическом применении жидкого навоза КРС нормы его не должны превышать 30–35 м3/га, свиного – 20–25 м3/га. С жидким навозом должно вноситься не более 200 кг/га азота [9]. Приблизительную дозу бесподстилочного навоза (Д) можно определить по формуле Д = В/(10 × К × С), где В – вынос элементов питания планируемой урожайностью, кг/га; К – коэффициент использования элементов питания удобряемой культурой; С – содержание элементов питания в навозе, %. Коэффициенты использования элементов питания растениями из навоза неоднозначны. На слабо и среднеокультуренных почвах в первый год принимают по азоту – 0,5, по фосфору – 0,3 и по калию – 0,8, на окультуренных почвах по фосфору и калию принимают за единицу [10]. Фосфор является одним из основных элементов питания растений, определяющим урожайность сельскохозяйственных культур. При этом уровень урожая напрямую зависит от содержания в почве подвижных соединений фосфора. Содержание подвижных фосфатов в почве зависит от многих факторов: от валового содержания фосфора, гидротермического режима, микробиологической активности, применения удобрений и т. д. Анализ результатов исследований свидетельствует о средней обеспеченности подвижным фосфором анализируемой пробы (см. табл. 1).

Калий – один из основных питательных элементов, влияющий на урожайность растений. При оптимальном содержании калия в тканях растения лучше удерживают воду, легче переносят засухи и заморозки, повышается устойчивость к разным заболеваниям. Наиболее важной в питании растений является обменнопоглощенная форма калия. Как показывают результаты исследования, проба характеризуются очень высокой обеспеченностью обменным калием (см. табл. 1).

Большое значение в питании растений, формировании урожая растений имеют микроэлементы, которые принимают участие во многих физиологических и биохимических процессах у растений. Они – обязательная составная часть многих ферментов, ростовых веществ, витаминов, которые играют роль биологических ускорителей и регуляторов сложных биохимических процессов. Ферменты – это катализаторы, а микроэлементы можно назвать катализаторами катализаторов. Микробиологические процессы также протекают при участии ферментов, в состав которых входят микроэлементы. Растения нуждаются в микроэлементах в ничтожно малых количествах. Но недостаток их, как и избыток, нарушает деятельность ферментативного аппарата, а следовательно, и обмен веществ у растений. Содержание микроэлементов в переработанном в биогазовой установке навозе также важно, потому что почва, которая удобряется только минеральными удобрениями, обедняется микроэлементами, жизненно важными для животных и человека, вследствие этого ухудшается биологическая ценность продукции животноводства и растениеводства. Количество микроэлементов в переработанном навозе различается в зависимости от их содержания в почве, на которой выращиваются кормовые культуры (табл. 2).

Содержание микроэлементов в навозе [11], мг/кг сухого вещества

Таблица 2

Микроэлемент	Минимум	Максимум	Среднее
Cu	7,6	40,8	15,6
Zn	43,0	247,0	96,2
Co	0,25	4,7	1,04
Mn	75,0	549,0	201,1

Согласно градациям, представленным в таблице 2, исследуемая проба твердой фракции переработанного в биогазовой установке свиного навоза характеризуется средней обеспеченностью медью и цинком, минимальным содержанием кобальта и марганца.

Микроэлементы в токсичных концентрациях называют тяжелыми металлами. Тяжелые металлы – группа химических элементов, имеющих относительную атомную массу более 50. Эту группу составляют ртуть, свинец, кадмий, мышьяк. Анализ результатов проведенных исследований показывает, что содержание ртути в исследуемом образце не превышает ПДК (2,1 мг/кг) (см. табл. 1). Свинец аккумулируется почвой и растениями. Токсическое действие его на растения проявляется с концентрации порядка 5 мг/кг почвы и выше. Содержание его в пробе ниже этой величины и составляет 1,43 мг/кг.

Высокая фитотоксичность кадмия объясняется в первую очередь тем, что он может выступать в роли цинка во многих биохимических процессах, нарушая работу ферментов, связанных с дыханием и другими физиологическими процессами. Многие исследователи делают вывод, что предельная концентрация кадмия в почве, с учетом его токсического действия на микробиологические процессы и снижения уровня плодородия почв, должна находиться, в зависимости от состояния естественного уровня плодородия, в пределах от 0,2 до 2,0 мг/кг почвы [12]. В пробе количество кадмия составляет менее 0,1 мг/кг.

Оценивая количество тяжелых металлов в целом в переработанном свином навозе, отметим, что их содержание не превышает предельно допустимые концентрации (см. табл. 1).

Таким образом, проведенный анализ твердой фракции переработанного в биогазовой установке свиного навоза свидетельствует о вы- сокой обеспеченности его органическим веществом, аммонийным азотом, средней обеспеченности подвижным фосфором и высокой – обменным калием. Содержание тяжелых металлов в органическом удобрении не превышает предельно допустимые концентрации, что позволяет его широко использовать в сельском хозяйстве.

Выводы

• 1.    В настоящее время в Дании, Италии, Германии, Китае и других странах идет разработка и массовое внедрение биогазовых установок, перерабатывающих в биогаз и биоудобрение отходы животноводства и растениеводства. В России также имелся и имеется положительный опыт строительства биогазовых установок, как для личных подсобных хозяйств, так и для больших животноводческих комплексов. Имеется многолетний опыт эффективной эксплуатации биогазовой установки в схожих с Красноярским краем природно-климатических условиях на свинокомплексе на 32 000 свиней в ОАО «Славино» (Кемеровская область) с общим объемом метантенков 600 м³. Полученный неочищенный биогаз используют для покрытия тепловых нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение цеха переработки отходов свинокомлекса. В схему включен когенерационный блок, что позволяет получать электрическую энергию не только на собственные нужды, но и на комплекс в целом.

• 2.    Совместно с получением энергии в биогазовой установке производится биоудобрение, результаты анализа которого свидетельствуют о высокой обеспеченности его органическим веществом, аммонийным азотом, средней обеспеченности подвижным фосфором и высокой – обменным калием. Содержание тяжелых ме-

• таллов в органическом удобрении не превышает предельно допустимые концентрации.

• 3.    Для успешного внедрения передового опыта в Красноярском крае крайне необходимо разработать и изготовить пилотную установку по получению биогаза и органических удобрений на одном из имеющихся в крае свиноводческом комплексе и в ближайшее время начать ее эксплуатацию в местных климатических условиях. Учитывая, что в настоящий момент количество подстилочного (с низкой влажностью) свиного навоза по Красноярскому краю достигает ориентировочно 900 000 т в год, можно получать за указанный период около 63 млн м³ биогаза (на выработку 1 кВт·ч электроэнергии необходимо 0,4–0,5 м³ биогаза).

Удобрение является экологически чистым, готовым к применению продуктом. Его достоинства и особенности связаны с его способом производства. Метановое сбраживание позволяет сохранять весь азот в аммонийной или органической формах. Особенность удобрения в том, что оно содержит активные полезные микроорганизмы, как метаногены, так и родственные им бактерии. При постоянном использовании удобрения улучшается аэрация почвы, ее водоудерживающая и инфильтрационная способность, происходит естественное восстановление утраченного плодородия почв. Эти особенности позволяют применять эти органические удобрения для восстановления нарушенных земель.