Биогаз из бытовых отходов

Биогаз из бытовых отходов

С одной стороны, конечно, полезную продукцию - в виде окороков и отбивных. Этой стороны мы, однако, касаться здесь не будем, поскольку, как следует из заголовка, намерены рассказывать о биотехнологии, а такая продукция и без всякой биотехнологии хороша. К сожалению, есть у свинофермы и другая сторона, совсем не аппетитная, но, увы, не менее существенная. 

Кроме мяса здесь производятся еще и отходы, причем в количестве, во много раз большем. Суточный привес одной свиньи на откорме измеряется сотнями граммов, а навоза от той же свиньи за те же сутки - пять-восемь килограммов. Современный свинокомплекс, где счет поголовья идет на десятки тысяч, производит огромные количества навоза.

Навоз всегда считался ценным удобрением. Но это, так сказать, классический навоз, по преимуществу конский или коровий, да еще щедро сдобренный соломой из подстилки.

На современной свиноферме навоз совсем другой. Подстилки там и в помине нет - навоз смывают водой, количество стоков от этого увеличивается во много раз, а концентрация сухих веществ - тех, в которых и заключена удобрительная ценность навоза,- уменьшается до нескольких процентов.

Все это гигантское количество жижи приходится где-то хранить - хотя бы от осени до весны, в период, когда удобрения не вносят. Выдерживать навоз нужно еще и для того, чтобы обезвредить всегда присутствующих в нем патогенных микробов, яйца гельминтов и семена сорняков, которые после внесения в почву немедленно, пойдут в рост. В итоге, например, в латвийском совхозе "Огре", где и свиней-то всего 20 тысяч с небольшим, пришлось запроектировать навозохранилища объемом 80 тысяч кубометров - даже при трехэтажной высоте они заняли бы целый гектар, а стоили бы почти столько же, сколько сам свинокомплекс. К тому же очень трудно предотвратить просачивание такого жидкого навоза в землю, в подземные воды, в реки. Да и атмосферу он загрязняет зловонием... Обезвреживание навозных стоков, особенно со свинокомплексов, превратилось в серьезную проблему в масштабе всей страны.

Одно из решений этой проблемы предложил Институт микробиологии им. А. Кирхенштейна АН Латвийской ССР. И не только предложил, но и внедряет в производство в том самом совхозе "Огре", о котором МЫ/ только что упомянули.

ЗАМЕЧАТЕЛЬНОЕ СООБЩЕСТВО

Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да и любых других органических остатков, известен давно - это компостирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются. При этом куча разогревается примерно до 60°С и происходит естественная пастеризация - погибает большинство патогенных микробов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть.

Но качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в нем азота и немало фосфора. Пропадает и энергия, потому что впустую рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, - а в навозе, между прочим, заключена почти половина всей энергии, поступающей на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования просто не годятся: слишком они жидкие.

Но возможен и другой путь переработки органического вещества - сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная ферментация. Именно такой процесс происходит в природном биологическом реакторе, заключенном в брюхе каждой буренки, пасущейся на лугу. Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соединения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соединения служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы - углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть - 100-200 млн. тонн в год! - имеет такое "животное" происхождение.

Метанообразующие бактерии - во многом весьма замечательные создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и коферменты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая - их считают продуктом особой ветви эволюции.

Примерно такое сообщество микроорганизмов и приспособили латвийские микробиологи для решения задачи - переработки отходов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компостировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятельности - биогаз, в котором 60-70 % метана,- есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров.

Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное - что таким способом прекрасно перерабатывается жидкий навоз со свинофермы: пройдя через биореактор, эта зловонная жижа превращается в прекрасное удобрение.

ЭКОЛОГИЯ ПЛЮС НЕМНОГО ТЕПЛА

Опытная установка, производящая биогаз, вот уже четыре года работает на одной из свиноферм совхоза "Огре". Научные основы . технологии для нее разработали в Институте микробиологии им. А.Кирхенштейна, а проект сделали в совхозе. ("У вас есть свое КБ?" - спросил автор у зам. директора совхоза В.С.Дубровскиса. "Какое КБ?- ответил он.- Сам сидел и рисовал...") Рядом стоит еще один реактор, импортный, пущенный в прошлом году. В общем, как считают в совхозе, можно было обойтись и без импорта: зачем тратить валюту на то, что вполне можно делать своими силами?

Оба реактора, объемом по 75 кубометров каждый, перерабатывают все отходы с фермы на 2500 свиней, давая совхозу остро необходимое всякому хозяйству высококачественное удобрение и по 300-500 кубометров газа в сутки.

"Для нас дело не в биогазе,- говорит В. С. Дубровские.- Если бы речь шла только о нем, мы бы и браться не стали. Главное - то, что это единственная технология переработки и обеззараживания отходов свиноводства, которая себя окупает". Не газом окупает, а экологическим благополучием: иначе пришлось бы строить и навозохранилища, И очистные сооружения, тратить большие деньги и очень много энергии. Кроме того, совхоз получает хорошее удобрение: в нем нет, как в свежем навозе, семян сорняков, способных прорасти, а значит, меньше надо расходовать гербицидов. Опять-таки, экологическая выгода. Биогаз же - как бесплатное приложение: приятно, но не обязательно.

Именно поэтому не так просто подсчитать экономическую эффективность подобных разработок. Обычно считают как раз по биогазу: затраты такие-то, газа получено столько-то, соответствующее количество солярки стоит столько-то. Получается в общем тоже выгодно, но сроки окупаемости не рекордные...

Тут есть еще одна тонкость. Бактерии метанового брожения в отличие от аэробов при компостировании сами тепла не выделяют, а работают они только в тепле. Для одних, термофильных, нужно поддерживать температуру около 55 °С, для других, мезо-фильных - около 37 °С. Вопрос о том, какой вариант лучше, еще не решен, и даже в Институте микробиологии существуют разные мнения. Возглавляющий это направление исследований академик АН Латвийской ССР М. Е. 

Бекер считает, что термофильный процесс эффективнее, а лаборатория биотехнических систем, которой руководит кандидат технических наук А. А. Упит, стоит за мезофильный. Но так или иначе, в нашем климате реактор большую часть года приходится подогревать. И если в жаркой Индии и Китае, где биогазовые установки насчитывают миллионами, такой проблемы не возникает, то в совхозе "Огре" на это уходит в среднем около половины биогаза, полученного за год. Это, естественно, ухудшает показатели экономической эффективности, если считать только по сэкономленному топливу. Но даже в таких условиях остающегося биогаза хватает, чтобы обеспечить треть энергетических потребностей фермы: тут и отопление, и горячая вода.

Конечно, картина получилась бы совершенно иная, если бы к энергетическому эффекту прибавить еще эффект экологический, переведя его в рубли. Но как это сделать, пока еще, кажется, не знает никто.

Во всяком случае, можно сказать одно: работников совхоза "Огре" результаты первого опыта вполне устраивают, и они намерены расширять дело. В этом году начнется строительство биогазовой установки для большого совхозного свинокомплекса - уже не на 2500, а на 20 000 голов. Ожидается, что эта установка, даже если считать только по газу, окупится за 5-6 лет. И гигантские навозохранилища, о которых говорилось в начале статьи, строить не придется.

ОТ ТПФ ДО СЕМЕЙНОГО БИОРЕАКТОРА

Переработка отходов животноводства - лишь одно из многих направлений исследований, которые ведутся в Институте микробиологии им. А. Кирхенштейна. Еще много интересного и поучительного увидел автор и в его лабораториях, и в хозяйствах - совхозе "Огре" и колхозе "Узвара", где опробуются институтские разработки. И обо всем собирался написать.

В первую очередь - о создаваемых здесь биотехнологических методах производства кормов. В том числе о прошедшей уже производственную проверку несложной, доступной любому хозяйству технологии получения кормового белка из травяного сока с минимальными затратами энергии. И об усовершенствовании процессов силосования и сенажирования, которое позволяет не просто консервировать корма, но и обогащать их питательными веществами. И об исследованиях по биоконверсии соломы и других богатых целлюлозой отходов. В общем, о всех направлениях, входящих в научно-техническую программу "Трансформация продуктов фотосинтеза" (сокращенно - "ТПФ"), которую вот уже больше десяти лет разрабатывает институт в сотрудничестве с многими научными учреждениями. Генеральная линия программы ТПФ - внедрение в агропромышленный комплекс не просто отдельных биотехнологических процессов, но целых биотехнических систем, что позволит в максимальной степени использовать растительное сырье, резко снизить затраты энергии в сельскохозяйственном производстве, сделать его экологически чистым и безотходным.

Но автор успел рассказать лишь об одной части этой программы, а отведенное ему место уже на исходе. Так что придется оставить все это до следующего случая.

Однако, заканчивая разговор о биогазе, нельзя не упомянуть хотя бы вкратце еще об одной идее, над которой работают в Институте микробиологии им. А. Кирхенштейна. Это концепция интегрированной системы переработки отходов и энергоснабжения жилого комплекса, а проще говоря, создания экологически замкнутого хозяйства, которое не будет загрязнять окружающую среду никакими отходами и к которому не нужно будет подводить ни электричества, ни газа: всю необходимую энергию дадут ему солнечный коллектор, тепловые насосы и, конечно же, биореактор, где будут перерабатываться канализационные стоки и отходы. До воплощения этой идеи в жизнь, правда, еще далеко, но архитектор М. Я. Лиепа уже подготовила несколько вариантов эскизного проекта такого экологического домика - получилось красиво.

А один из центральных элементов этой системы - "биореактор для семейной фермы", как его неофициально называют в институте,- уже сейчас может построить для себя каждый желающий. По просьбе редакции авторы идеи - сотрудники лаборатории биотехнических систем - рассказывают ниже о том, как это сделать.

Как построить биореактор

Биогазовая установка может быть создана в любом хозяйстве из местных, доступных материалов силами специалистов самого хозяйства.

Ферментация навоза идет в анаэробных (бескислородных) условиях при температуре 30- 55 °С (оптимально 40 °С). Длительность ферментации, обеспечивающая обеззараживание навоза, не менее 12 суток. Для анаэробной ферментации можно использовать как обычный, так и жидкий, бесподстилочный навоз, который легко подается в биореактор насосом.

При ферментации в навозе полностью сохраняются азот и фосфор. Масса навоза практически не изменяется, если не считать испаряемой воды, которая переходит в биогаз. Органическое вещество навоза разлагается на 30-40 %; деструкции подвергаются в основном легко разлагаемые соединения - жир, протеин, углеводы, а основные гумусообразующие компоненты - целлюлоза и лигнин - сохраняются полностью. Благодаря выделению метана и углекислого газа оптимизируется соотношение C/N. Доля аммиачного азота увеличивается. Реакция получаемого органического удобрения - щелочная (рН 7,2-7,8), что делает такое удобрение особенно ценным для кислых почв. По сравнению с удобрением, получаемым из навоза обычным способом, урожайность увеличивается на 10-15 %.

Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/м3 (0,93 плотности воздуха) имеет следующий состав (%): метан - 65, углекислый газ - 34, сопутствующие газы - до 1 (в том числе сероводород - до 0,1). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и технологии в пределах 55-75 %. Содержание воды в биогазе при 40 °С - 50 г/м3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.).

Энергоемкость получаемого газа - 23 мДж/м3, или 5500 ккал/м3.

ОБОРУДОВАНИЕ

Основное оборудование биогазовой установки - герметически закрытая емкость с теплообменником (теплоноситель - вода, нагретая до 50-60 °С), устройства для ввода и вывода навоза и для отвода газа.

Так как на каждой ферме свои особенности удаления навоза, использования подстилочного материала, теплоснабжения, создать один типовой биореактор невозможно. Конструкция установки во многом определяется местными условиями, наличием материалов.

Для небольшой установки наиболее простое решение - использовать высвободившиеся топливные цистерны. Схема биореактора на базе стандартной топливной цистерны объемом 50 м3 показана на рисунке. Внутренние перегородки могут быть из металла или кирпича; их основная функция - направлять поток навоза и удлинить путь его внутри реактора, образуя систему сообщающихся сосудов. На схеме перегородки показаны условно; их число и размещение зависят От свойств навоза - от текучести, количества подстилки.

Биореактор из железобетона требует меньше металла, но более трудоемок в изготовлении. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества навоза, которое зависит как от численности и массы животных, так и от способа его удаления: при смыве бесподстилочного навоза общее количество стоков увеличивается во много раз, что нежелательно, так как требует увеличения затрат энергии на подогрев. Если суточное количество стоков известно, нужный объем реактора можно определить, умножив это количество на 12 (поскольку 12 суток - минимальный срок выдержки навоза) и увеличив полученную величину на 10 % (так как реактор следует заполнять субстратом на 90 %).

Ориентировочная суточная производительность биореактора при загрузке навоза с содержанием сухого вещества 4-8 % - два объема газа на объем реактора: биореактор объемом 50 м3 будет давать в сутки 100 м3 биогаза.

Как правило, переработка бесподстилочного навоза от 10 голов крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 20 м3 биогаза, от 10 свиней - 1-3 м3, от 10 овец - 1 - 1,2 м3, от 10 кроликов - 0,4-0,6 м3. Тонна соломы дает 300 м' биогаза, тонна коммунально-бытовых отходов - 130 м:). (Потребность в газе односемейного дома, включая отопление и горячее водоснабжение, составляет в среднем 10 м3 в сутки, но может сильно колебаться в зависимости от качества теплоизоляции дома.)

Подогревать субстрат до 40°С можно различными способами. Удобнее всего использовать для этого газовые водонагреватель-ные аппараты АГВ-80 или АГВ-120, снабженные автоматикой для поддержания температуры теплоносителя. При питании аппарата получаемым биогазом (вместо природного газа) следует его отрегулировать, уменьшив подачу воздуха. Можно также использовать для подогрева субстрата ночную электроэнергию. Аккумулятором тепла в этом случае служит сам биореактор.

Для уменьшения потерь тепла биореактор необходимо тщательно теплоизолировать. Здесь возможны разные варианты: в частности, можно устроить вокруг него легкий каркас, заполненный стекловатой, нанести на реактор слой пено-полиуриетана и пр.

Давление газа, получаемого в биореакторе (100-300 мм вод. ст.), достаточно для его подачи на расстояние до нескольких сотен метров без газодувок или компрессоров.

При запуске биореактора необходимо заполнить его на 90 % объема субстратом и продержать не менее 12 суток, после чего можно подавать в реактор новые порции субстрата, извлекая соответствующие количества ферментированного продукта.

Примерные затраты материалов и средств (при использовании топливной цистерны объемом 50 м3)

• Техническая документация, согласование 50 р;
• Оборудование и материалы;
• цистерна 1000 р.;
• насосы, фекальный или "навозный", для подачи . 3-5 м3 в сутки, 2 шт.;
• (один - резервный) 200 р.;
• трубопроводы диаметром 80-100 мм 100 р.;
• изоляционный материал - 1000 р.;
• водонагреватели АГВ-80 или АГВ-120, 2 шт. - 300 р.;
• Строительные и монтажные работы - 1100 р.

Итого 3750 р.

• Непредвиденные расходы (20 %) 750 р.;
• Общая стоимость 4500 р.;
• Эксплуатационные расходы (в год) 
• электроэнергия для работы насосов (2X5 кВт, 1 час в сутки, 1 коп. за 1 кВт-ч) ~ 40 р.
• профилактический осмотр и обслуживание (1 день в месяц) - ~150 р.

Итого -190 р.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА

Тепло, получаемое при сжигании биогаза, может быть использовано, кроме подогрева воды (отопление, горячее водоснабжение) и приготовления пищи, для отопления теплиц, а в летний период, когда биогаз в избытке, для сушки сена и других кормов или, при питании биогазом абсорбционного холодильника, для охлаждения сельскохозяйственной продукции, например молока. Можно также применять биогаз для выработки электроэнергии, но это менее выгодно.

Если несколько мелких ферм или индивидуальных хозяйств расположены поблизости друг от друга, целесообразно организовать централизованную переработку отходов и получаемый биогаз подавать на фермы или в хозяйства по трубопроводам.

Есть еще одно направление использования биогаза - утилизация углекислого газа, содержащегося в нем в количестве около 34 %. Извлекая углекислый газ путем отмывки (в отличие от метана он растворяется в воде), можно подавать его в теплицы, где он служит "воздушным удобрением", увеличивая продуктивность растений.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Биореактор объемом 50 м'! дает в сутки 100 м' биогаза, из которых на долю "товарного" газа, приходится в среднем около 70 м* (остальное идет на подогрев реактора), что составляет 25 тыс. м в год - количество, эквивалентное 16,75 т жидкого топлива общей стоимостью 1105 р.

Если капитальные вложения в строительство установки - 4500 р.- распределить на 15-летний срок ее эксплуатации и учесть эксплуатационные расходы (190 р. в год) и расходы на ремонт (1 % от стоимости оборудования - 26 р. в год), то экономия от замены биогазом жидкого топлива составит около 590 р. в год.

При таком подсчете не учитывается предотвращение загрязнения окружающей среды, а также увеличение урожайности в результате применения получаемого высококачественного удобрения.

ДОКУМЕНТАЦИЯ И СОГЛАСОВАНИЕ

Эскизную документацию на строительство биореактора специалисты хозяйства (инженер-механик, строитель, энергетик, электрик) могут подготовить за несколько дней. В документацию должны входить: технологическая схема, план размещения биореактора и теплогенератора, потоки энергии и продуктов, трубопроводы, схема подключения насоса и осветительной арматуры, калькуляция - смета расходов. На генплане хозяйства нужно показать основные трубопроводы, подъездные пути, громоотвод. Документацию необходимо согласовать с газовой инспекцией и пожарной охраной.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

При эксплуатации биореактора необходимо соблюдать все действующие нормы и правила работы с установками для сжигания природного газа. Биогаз имеет более узкий предел взрываемости, чем природный газ,- от 6 до 12 % (вместо5-15 %). В документации следует предусмотреть вентиляцию, которая, согласно СН. 433-79, должна обеспечивать в помещении объемом до 300 м( восьмикратный обмен воздуха в час.

КОНСУЛЬТАЦИИ

Консультацию по составлению технической документации, строительству, пуску и эксплуатации биогазовой установки, а также по другим вопросам, здесь недостаточно полно освещенным, можно получить по адресу: 226067 Рига 67, Клейсты, ул. Кирхенштейна, 1, Институт микробиологии им. А. Кирхенштейна АН Латвийской ССР, лаборатория биотехнических систем; тел. 42-81-04.

Кандидат технических наук А. А. Упит, А. В. Карклин