Технико-экономическое обоснование твердофазной аэробной ферментации органических отходов

Обеспечение продовольственной безопасности России возможно только при налаженном взаимодействии различных отраслей экономики: агропромышленного комплекса, пищевой промышленности и перерабатывающего сектора. Произошедший с начала 2000-х гг. рывок был достигнут в первую очередь за счет интенсификации и оптимизации первичной образующей отрасли – сельского хозяйства: поголовье птицы в России выросло на 52,6 %; свиней – на 63 %; производство яиц – на 31,7 %; средний надой молока с одной коровы - на 92 % [1]. Создание устойчивых продовольственных систем, минимизация логистического плеча и транспортных расходов обусловили необходимость расположения таких предприятий в относительной близости от крупных городов, а необходимость кооперации предприятий различных направлений привела к созданию крупных холдингов и последующей концентрации объектов производства в локальных точках [2]. Это увеличило количество не только производимой продукции, но и сопутствующих видов отходов. Неиспользуемые отходы накапливаются и оказывают существенное негативное влияние на окружающую среду [3, 4]. Согласно экспертным оценкам, ежегодно в России образуется свыше 600 млн т отходов органических отходов АПК, что превышает суммарное количество продукции животноводства и растениеводства, и только 1/3 возвращается в процессы био- и техногенеза в виде удобрений [5].

Особое место в существующей структуре агропромышленного комплекса России занимает птицеводство. В период с 2000 по 2023 г. общее поголовье птицы в стране увеличилось в 1,5 раза – с 340,6 млн гол. до 519,8 млн гол. - в первую очередь за счет наращивания производственных мощностей птицеводческих комплексов – с 205,1 млн гол. до 432,5 млн гол. [6]. В настоящее время в стране функционирует около 400 птицеводческих предприятий, но в целом отрасль развита весьма неоднородно: 25 крупнейших птицефабрик производят практически 70% всей птицеводческой продукции [7]. Столь высокая концентрация производства в локальных точках ставит под угрозу экологическую безопасность целых регионов. Одним из основных факторов негативного воздействия на окружающую среду является производимый птичий помет – отход III класса опасности [8].

В 2023 г. был существенно переработан информационно-технический справочник наилучших доступных технологий, рекомендованных к обращению в птицеводческой отрасли. В перечень наиболее актуальных технологий переработки птичьего помета вошли: длительное выдерживание, различные виды компостирования (в том числе пассивное и активное буртовое, ускоренное компостирование с принудительной аэрацией и др.), биоферментация в установках камерного, барабанного и вертикального типов, термическая сушка [9]. В рамках многолетних исследований, направленных на изучение и сравнение эффективности технологий переработки птичьего помета, установлено, что для значительной части России, находящейся в зонах умеренного, субарктического и арктического климата, характеризующейся довольно холодными зимами и осадками в летний период (рис. 1) [10], наибольший практический интерес представляют технологии, позволяющие минимизир овать воздействие внешних факторов на процесс переработки и сокращающие негативное воздействие на окружающую среду, такие как ферментация в установках закрытого типа [11 - 15].

Рисунок 1 – Климатические зоны России по классификации Кёппена – Гейгера

Получаемый в результате твердофазной аэробной ферментации птичьего помета продукт не только соответствует требованиям профильных стандартов (например, ГОСТ 531172008 и ГОСТ 33830-2016), но и существенно повышает приживаемость и продуктивность растений в условиях зоны рискованного земледелия [16 - 19].

Ключевым фактором для принятия решения о внедрении конкретной технологии переработки отходов является ее комплексная технико-экономическая оценка.

Цель данного исследования – определение эколого-экономического эффекта при внедрении технологической линии твердофазной ферментации птичьего помета и оценка в условиях функционирующей птицефабрики.

Материалы и методы исследования

В качестве пилотного предприятия выбрана птицефабрика яичного направления с поголовьем до 1,43 млн гол. единовременного содержания, расположенная в Ленинградской области.

Биоферментационная установка для переработки отходов (рис. 2) расположена в закрытом помещении [20]. Климатическое исполнение оборудования: УХЛ (NF). Категория размещения: 3. Тип атмосферы при хранении на объекте применения: II [21].

Рисунок 2 – Биоферментационная установка барабанного типа ББФ-40 (Россия)

Экономическая эффективность производства твердого органического удобрения методом аэробной твердофазной ферментации определена при помощи методов расчета, закрепленных в Межгосударственном стандарте ГОСТ 34393-2018 «Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки», РД-АПК 1.10.15.02-17 «Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета» и «Ветеринарно-санитарных правилами подготовки к использованию в качестве органических удобрений навоза, помета и стоков при инфекционных и инвазионных болезнях животных и птицы» [22 - 24]. Экономический эффект определен как чистая прибыль фермы при внедрении данной технологии переработки.

Сравнение полученных показателей выполнено с показателями экономической эффективности производства твердого органического удобрения методом пассивного компостирования – базовой технологией утилизации органических отходов в рассматриваемом регионе [5, 25, 26].

Экологический эффект рассчитан как разница между экологической нагрузкой, наносимой окружающей среде пассивным компостированием, и аэробной твердофазной ферментацией в барабанных биоферментаторах, выраженной в снижении потерь питательных веществ [27].

Результаты исследований и их обсуждение

Ускоренная твердофазная ферментация – ускоренный способ компостирования отходов с использованием принципа интенсивной аэрации компостной смеси. Процесс основан на окислении части органического вещества за счет насыщения его кислородом из атмосферного воздуха. В результате биологического окисления части органического вещества температура в перерабатываемой массе поднимается свыше 60 °С, что позволяет обеззаразить получаемый субстрат от патогенной микрофлоры [23].

В состав технологической линии ферментации отходов входили сепаратор, транспортер, биоферментацонная установка барабанного типа, система аэрации, оснащенная калорифером, и фасовочное оборудование (рис. 3). Исходный материал разделяли на твердую и жидкую фракции, после чего твердая фракция загружалась в биоферментационную установку. После выдерживания в соответствии с регламентированным сроком часть готового субстрата выгружалась из биоферментационной установки, фасовалась в мешки и остывала, а в биоферментационную установку загружалась новая партия компостной смеси. После остывания мешки с готовым субстратом закрывались и складировались.

Рисунок 3 – Компоновка технологической линии ускоренной твердофазной ферментации:

1 – смеситель; 2 – транспортер; 3 – биоферментационная установка барабанного типа;

4 – система аэрации; 5 – фасовочное оборудование

В рамках ранее проводимых исследований были определены наиболее востребованная производительность оборудования и актуальный типоразмерный ряд: ББФ-3 (минимальная производитель (далее – МП) 1 т/сут), ББФ-10 (МП 3 т/сут) ББФ-40 и (МП 12 т/сут) [28]. Данное исследование было сконцентрировано на расчете энергоемкости производства продукции (табл. 1) и сравнении экономической эффективности технологических линий соответствующий производительностей и технологии пассивного буртового компостирования (табл. 2).

Таблица 1

Характеристика электрооборудования в составе технологических линий

Оборудование	Технологическая линия
	ББФ-3	ББФ-10	ББФ-40
1	2	3	4
Номинальная мощность, кВт:
Смеситель	2,2	4	5,5
Транспортер	2,2	3,5	3,5
Биоферментационная установка барабанного типа
- привод	0,75	1,5	3,5
- выгружной транспортер	1,1	2,2	3,5
- напорный вентилятор	1,5	2,2	3,5

Продолжение таблицы 1

1	2	3	4
- калорифер	4	5,5	7,5
Фасовочное оборудование
- вибросито	2	2	3
- транспортер	0,75	1,5	3,5
- весовой дозатор	1,3	1,3	1,3
- конвейер для транспортировки мешков	1,5	1,5	2
Установленная мощность, кВт	17,3	25,2	36,8
Пиковая мощность, кВт	6,25	9,2	14,5
Суточное энергопотребление, кВт·ч
- в холодный период	24,4	38,2	63,8
- в теплый период	13,2	20,6	36,8
- среднегодовое значение	18,8	29,4	50,3

Практически двукратный рост энергопотребления в зимний период был связан с необходимостью нагрева воздуха, подаваемого в биоферментационную установку, для поддержания устойчивого термофильного режима переработки. Использование газовых нагревателей позволит сократить энергопотребление в процессе утилизации.

Стоимость оборудования, накладные расходы и показатели заработной платы актуальны на декабрь 2023 г. Стоимость реализации удобрений была принята на основании среднерыночной цены данных видов удобрений в Северо-Западном федеральном округе на июль 2024 г. – переработанное методом пассивного компостирования в буртах 7 тыс. руб./т, полученное методом твердофазной аэробной ферментации – 10 тыс. руб./т. Фасовка компоста производится в мешки биг-бэг по 2,5 т, ферментированное удобрение фасуется в пластиковые пакеты по 3 кг. Годовой выход помета (с учетом усушки) составляет 66,5 тыс. т. Для переработки такого количества отходов потребуется 15 биоферментационных установок ББФ-40 и 1 установка ББФ-3. При использовании технологии пассивного компостирования необходимы: бетонированная площадка 250×220 м; а также трактор тяглового класса 1,4 - 2,0; 2 фронтальных погрузчика с объемом ковша не менее 3 м³; две грузовые машины грузоподъемностью 20 т.

Таблица 2

Экономическая эффективность переработки помета в твердое органическое удобрение технологиями пассивного компостирования и аэробной твердофазной ферментации

Показатель	Единица измерения	Пассивное компостирование	Твердофазная аэробная ферментация
Капитальные затраты	тыс. руб.	394500	359600
Удельные капитальные затраты	тыс. руб/т	5,93	5,41
Эксплуатационные затраты, в том числе:	тыс. руб/г.	38351,1	79184,88
- амортизационные отчисления	тыс. руб/г.	13050,0	34245,0
- затраты на ТО и ремонт оборудования	тыс. руб/г.	5998,5	31847,85
- затраты на электроэнергию и топливо	тыс. руб/г.	5384,6	1917,03
- заработная плата сотрудников	тыс. руб/г.	6780,0	1860,0
- затраты на упаковку	тыс. руб/г.	7138,0	12801,25
- транспортные услуги	тыс. руб/г.	-	2000,0
Удельные эксплуатационные затраты	тыс. руб/т·г.	0,57	1,27
Трудозатраты на производство продукции	ч-час/т	0,153	0,017
Выход продукции	т/г.	55195	51205
Прибыль от реализации продукции	тыс. руб/г.	127233,9	125635,1
Срок окупаемости	г.	3,39	2,86

Более низкие капитальные затраты при технологии аэробной ферментации помета связаны с высокой интенсивностью процесса переработки относительно технологии пассивного буртового компостирования, а автоматизация процесса переработки дает возможность сократить трудозатраты практически в 8 раз, что позволяет кратно оптимизировать фонд оплаты труда задействованного персонала. Значительная часть эксплуатационных затрат приходится на закупку упаковочного материала для удобрения.

В ходе ранее проведенных исследований было установлено, что при переработке одного и того же вида отходов методами пассивного компостирования и аэробной твердофазной ферментации потери азота составили в среднем 24,2 и 6,1 % соответственно, фосфора – 5,7 и 0,8 % соответственно [11]. Питательная ценность исходных отходов и конечных материалов приведена в таблице 3.

Таблица 3 Содержание питательных веществ

Материал	Содержание питательных веществ		Потери относительно исходного материала
	N об , т/г.	P об , т/г.	N об , т/г.	P об , т/г.
Помет после усушки	1997,58	1065,37	-	-
Компост после пассивного компостирования	1514,16	1004,65	483,41	60,73
Компост после аэробной ферментации	1875,72	1056,85	121,85	8,52

Экологический эффект от внедрения аэробной ферментации вместо пассивного компостирования составит: N об = 361,57 т/год, P об = 52,20 т/год.

Заключение

Производство органических удобрений, которые могут быть использованы при ведении органического сельского хозяйства и реализовываться через торговые сети, является одной из форм повышения рентабельности для сельскохозяйственных предприятий. Организация эффективной и соответствующей принципам рационального природопользования технологии обращения с образуемыми отходами на птицеводческих фермах требует капитальных и эксплуатационных вложений, соизмеримых с традиционно применяемыми технологиями.

В рамках исследования определены показатели экономической эффективности для птицеводческой фермы, производящей 66500 т/год отходов. Рассмотрены две технологии переработки отходов: пассивное компостирование и аэробная твердофазная ферментация, определены сроки окупаемости вложений: 3,39 года и 2,86 года соответственно.

Переработка отходов методом аэробной твердофазной ферментации способствует более высокой рентабельности производства за счет более низких трудозатрат, а также более высокой питательной ценности полученных удобрений и, как следствие, их более высокой стоимости. Потери питательных веществ при аэробной твердофазной ферментации в 4-7 раз меньше, чем при пассивном компостировании, следовательно, внедрение данного метода рециклинга способствует достижению экологического эффекта N об = 361,57 т/год, P об = 52,20 т/год. За счет более высокого содержания питательных веществ полученное органическое удобрение обладает большей питательной ценностью и способствует более эффективному повышению плодородия почвы.