Применение биогаза для сельскохозяйственного производства Республики Бурятия

Введение. В последнее время в Республике Бурятия все большее внимание привлекают возобновляемые источники энергии для получения электрической и тепловой энергии, к одним из видов которых относится биогаз, получаемый путем анаэробного сбраживания органических отходов животноводства, т.к. основное поголовье крупного рогатого скота (КРС) содержится в хозяйствах населения, которое составляет 278,7 тыс. голов (73,9% из общего количества поголовья КРС в республике) [1, 2, 3], т.е., если животное в среднем в сутки содержится 10 часов во дворе, то годовое образование органических отходов составляет 871,44 тыс. тонн/год от всего поголовья КРС. В связи с этим особую значимость приобретают комплексные исследования по переработке органических отходов КРС хозяйств населения и разработка высокоэффективных технологий получения биогаза и удобрений в более короткие сроки с наименьшими трудовыми и энергетическими затратами [4, 5, 6].

Условия и методы исследования. Научные исследования, проводимые нами, направлены для решения энергетических проблем хозяйств населения путём разработки и внедрения высокоэффективной биоэнергетической технологии типа БГУ, и для этого поставлены следующие задачи: создание модельного полигона для отработки и демонстрации технологии анаэробной переработки экскрементов КРС (рисунок 1) с общей производительностью установки 1,0 м³/сут при температуре технологического процесса 36-37 °C (мезофильный режим); повышение эффективности переработки экскрементов и увеличение производительности БГУ по образованию биогаза.

Интенсивная технология получения биогаза и удобрений для хозяйств населения основана на применении анаэробного биофильтра (АБ) в камере сбраживания БГУ (рисунок 2), т.е.

происходит увеличение процесса метаногенеза за счет использования перемещающихся развитых поверхностей с иммобилизированными на них метаногенными сообществами, имеющими большую поверхность контакта со сбраживае мым сырьём, что обеспечивает более высокие скорости сбраживания и повышает выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора [8, 9].

1 - ферма; 2 - котельная; 3 - жилое здание; 4 - сборник-теплообменник; 5 - биореактор;

6 - газгольдер; 7 - котел; 8 - отделитель грубых включений;

9 - погружной насос; 10 - насос-дозатор; 11 - компрессор; 12 - газогенератор;

13 - теплообменник; 14 - иммобилизационное устройство (биофильтр)

(А - жидкий навоз; Б - биогаз; В - вода горячая)

Рисунок 1 - Технологическая схема биогазовой установки типа БГУ для анаэробной переработки органических отходов КРС хозяйств населения Бурятии

1 - рама-каркас (нержавеющая сталь); 2 - соединительное кольцо; 3 - лопасть (перемещающиеся поверхности с иммобилизованными метанообразующими микроорганизмами);

4 - шнур капроновый; 5 - вал Рисунок 2-Анаэробный биофильтр (АБ)

Биофильтр устанавливается внутри камеры сбраживания реактора и предназначен для повышения эффективности работы БГУ [7, 8], т.е. увеличения процесса метаногенеза за счет использования перемещающихся развитых поверхностей с иммобилизованными на них ме таногенными сообществами и представляет собой форму цилиндра жесткой конструкции (рисунок 2).

В таблице приведены технические характеристики биоэнергетической установки БГУ в зависимости от объемов биореастора.

Технические характеристики БГУ для хозяйств населения

Характеристика	Производительность		Потребитель, использование биогаза
Объем биореастора, м3 габаритные размеры (диаметр х высота, м)	по биогазу, м3/сут	в пересчете на теплоэнергию, кВтч
0,5 (0,9 х 1,2) 1,0 (1,1 х 1,4) 2,0 (1,4 х 1,7)	0,5 1,0 2,0	3,2 6,4 12,8	Частный сектор, на бытовые нужды

Известно, что биогаз, получаемый из органических отходов животноводства, представляет собой смесь газов, основными компонентами которого являются метан и углекислый газ. Условия получения и наличие в их составе вредных и балластных примесей диктуют необходимость предварительной обработки биогаза перед использованием в тепловых установках. Для обеспечения функциональной и эксплуатационной безопасности, а также безопасной работы персонала газ должен быть предварительно очищен от вредных компонентов.

От дозы загрузки исходного сырья в биореактор зависят эффективность процесса сбраживания, степень разложения органического вещества и объемы образования биогаза [8, 9].

Суточную дозу загрузки биореактора находим по следующей формуле:

1 = р м3/сут,            (1)

1= р = 0,5, мУсут, где Уб - объем биореактора (м3);

t- время сбраживания органических отходов (сутки).

Потребность в энергии для малых сельскохозяйственных предприятий определяется исходя из суммы всех потребителей, где также необходимо учитывать потребность биогаза на собственные нужды биоустановки, которая в условиях Бурятии составляет от 15% до 30% в зависимости от времени года. Потребность биогаза для предприятия можно определить по количеству энергии, потребляемой по годовым отчётам.

Определяем суточное поступление отходов из фермы КРС твм по формуле тм = Z^^-кг/сут, (2) где Мж- количество животных Дго вида, гол.;

тэд-суточный выход экскрементов от/-го животного, кг/гол.

твм- 10'40 = 400 кг/ сут.

Определяем долю сухого вещества в биомассе тса:

= т_си - 1 -       , кг/сут, (3)

С В         till |         । 00 I                        '

где фвм - влажность биомассы, %.

(   90 )

m_CR = 400 • 1 - -—- = 40 кг/сут.

'         ( 100 J

Определяем долю сухого органического вещества тсов по формуле тсов = тсв'Роов, кг/сут, (4) где рсов - доля органического вещества в сухом веществе, д.е., тсов = 40 ■ 0,8-32 кг/сут.

Определяем выход биогаза Vnon, м³, при полном разложении сухого органического вещества:

Vnon = тсов ¹ Пэк, м³,           (5)

где Пэк- выход биогаза из 1 кг СОВ, для коровника пэк= 0,415 м^э/кг.

Vnon = 32'0,415 = 13,28 м³.

Определяем объем полученного биогаза Уб, м3, при выбранной продолжительности метанового брожения:

п

• У, = Уппп -L-, м3/сут. (6) б ПОЛ JQ0      77

где т - доля выхода биогаза при данной продолжительности брожения, пр 50%.

К = 13,28 —= 6,64 м3/сут.

Месячное образование биогаза:

V_B^= 30 ■ У_в = 30 ■ 6,64 = 199,2 м³/мес. (7) Годовая выработка биогаза:

Уб/"™ = 365-Уб,(8)

• Vs^ 365 • 6,64 = 2423,6 м³/год.

Компенсация энергетических составляющих полученного биогаза при переводе в другие энергетические составляющие в год будет выглядеть следующим образом:

Увых.газа ~ 2423,6 м3/год = 9694,5 кВт/ч тепловой энергии = 238620 МДж/год = 5820 л диз. топлива/год [10].

Выводы

• 1.    По результатам экспериментальных исследований разработана опытная биоэнергетическая установка (БГУ) с анаэробным биофильтром (АБ), применение которого в камере сбраживания биореактора позволяет постоянно иметь запас биомассы метанобразующих микроорганизмов, что обеспечивает устойчивое ведение биотехнологического процесса переработки органических стоков и интенсифицирует процесс образования биогаза с единицы перерабатываемого сырья в 3-3,5 раза.

• 2.    Полученный в результате переработки органических отходов животноводства биогаз с годовым производством 2423,6 м³/год является дополнительным источником энергии для малых сельхозпредприятий, а также автономным источником энергии для самой БГУ, энергосодержание которого составляет 23-25 мДж/м³, т.е. позволят отказаться от дорогостоящих традиционных энергоносителей.

• 3.    Эксплуатация БГУ связана с суровыми природно-климатическими условиями Бурятии, когда температура окружающей среды колеблется в границах -30...+30 °C, и поэтому эффективность образования биогаза для хозяйств населения будет достигнута путём монтажа установки в помещении котельной.