Курсова робота
Тема: «Проектування безвідходного виробництва з використанням біоконверсійних технологій утилізації відходів тваринництва»
Біотехнологія – напрямок сучасної науки і техніки, головним завданням якого є використання біологічних процесів, систем і організмів в різних галузях людської діяльності (сільське господарство, медицина, харчова і хімічна промисловість). Термін «біотехнологія» походить від грецьких слів «bios» – життя, «techne» – майстерність, «loqos' – вчення.
На базі біогазових установок можна організовувати цілий комплекс по безвідходній переробці відходів. Продуктами виробництва біогазу є не тільки біогаз (що мало поступається по енергетичній цінності природному газу) а й збагачена органічними речовинами рідка фракція (що може і має стати субстратом для виробництва мікробіальних біотехнологічних продуктів) і, звичайно, тверда фракція (шлам, що без тривалої ферментації може бути субстратом для вермикультивування). Якщо комплексно підійти до проблеми утилізації органічних відходів, то можна досягти цілком безвідходного виробництва отримуючи такі продукти: електроенергія (біогаз), біогумус, білок тваринного походження (червоний каліфорнійський черв’як), біомаса водоростей (спіруліна) і інші продукти залежно від умов та потреб господарств.
Впровадження безвідходних технологій на базі біотехнології в тваринництві має багато позитивних сторін: усувається проблема знешкодження відходів тваринництва та харчової промисловості, збільшується білково-мінерально-вітамінна кормова база, підвищується доля поновлюваної енергетики в загальній енергетичній картині України, є ресурс підвищення та відновлення родючості ґрунтів.
1.1 Біотехнологія анаеробного метанового зброджування
1.1.1 Гній як сировина для метаногенезу
Свіжий гній тваринницьких ферм і рідкі складові гною разом із стічними водами є забруднювачами навколишнього середовища. Підвищена сприйнятливість сільськогосподарських культур до свіжого гною приводить до забруднення ґрунтових вод і повітряного басейну, створює сприятливе середовище для зараженості ґрунту шкідливими мікроорганізмами. У гної тварин життєдіяльність хвороботворних бактерій і яєць гельмінтів не припиняється, насіння смітних трав, що міститься в ньому, зберігає свої властивості.
Ефектом накопичення великої кількості органічних відходів є негативний вплив на навколишнє середовище, а саме:
· емісія газів,
· проникнення в ґрунтові води,
· забруднення місткостей і резервуарів, що знаходяться на поверхні, розповсюдження хвороботворних мікробів.
Для усунення цих негативних явищ необхідна спеціальна технологія обробки гною, що дозволяє підвищити концентрацію живильних речовин і одночасно усунути неприємні запахи, подавити патогенні мікроорганізми, понизити зміст канцерогенних речовин. Перспективним, екологічно безпечним і економічно вигідним напрямом рішення цієї проблеми є анаеробна переробка гною і відходів в біогазових установках з отриманням біогазу. Завдяки високому змісту метану (до 70%) біогаз може горіти. Органічна маса, що залишилася після такої природної переробки, є якісним знезараженим добривом. Для переробки використовуються дешеві відходи сільського господарства: гній великої рогатої худоби, свиней, кіз, овець, послід птаха, солома, стружка, тирса, смітна рослинність, побутові відходи, відходи життєдіяльності людини, побутове органічне сміття і т.п. Одержаний біогаз йде на опалювання тваринницьких приміщень, житлових будинків, теплиць, енергію для приготування їжі, сушку сільськогосподарських продуктів гарячим повітрям, підігрів води, вироблення електроенергії за допомогою газових генераторів. Після утилізації вміст живильних речовин в одержаному добриві збільшується на 15% в порівнянні із звичним гноєм. При цьому в новому добриві знищені гельмінти і хвороботворні бактерії, насіння бур’янів. Такий гній застосовується без традиційних витримок і зберігання. При утилізації виходить також рідкий екстракт, який призначається для поливу кормових трав, овочів і т. п. Сухе добриво використовується по прямому призначенню, при цьому врожайність люцерни підвищується на 50%, кукурудзи на 12%, овочів на 20–30%.
З гною однієї корови можна одержати в добу до 4,2м3 біогазу. Енергія, укладена в одному м3 біогазу, еквівалентна енергії 0,6 м3 природного газу, 0,74 л нафти, 0,65 л дизельного палива, 0,48 л бензину і т. п. При застосуванні біогазу економляться також мазут, вугілля, електроенергія і інші енергоносії.
Технологічні схеми і конструктивно-технологічні параметри біогазових установок залежать від об'ємів переробки і властивостей зброджуваного матеріалу, теплового режиму, способів завантаження і збродження субстрату і ряду інших чинників. Принципова технологічна схема біогазової установки включає гноєзбірник, метантенк (місткість, резервуар), котел (теплообмінник), газгольдер і гноєсховище. Продуктами біогазової установки є газ, тверді і рідкі добрива.
1.1.2 Процес метаногенезу та оптимальні умови його перебігу
Біометаногенез – це процес перетворення органічних сполук біомаси на біогаз за участю метаноутворюючих анаеробних мікроорганізмів. Коефіцієнт трансформації енергії біомаси в енергію метану при цьому процесі досягає 80%. Це давно відомий процес, відкритий ще 1776 р. Вольтом, який встановив наявність метану в болотному газі.
Процес біометаногенезу проходить за участю метаноутворюючих мікроорганізмів, яких ідентифіковано від 30 до 50 видів. Це симбіотичне угруповання і завдяки тому, що воно може змінювати свої шляхи ферментації, функціонує як саморегулююча система, яка підтримує оптимальні значення рН, окислювально-відновний потенціал і термодинамічну рівновагу в реакторі.
Формування мікрофлори метантенка відбувається за рахунок мікроорганізмів, які потрапили в нього разом з субстратом.
Біометаногенез відбувається в три етапи: етап гідролізу, ацидогенезу та, власне, метаногенез.
Для активної діяльності метаногенів потрібно створити ряд умов. Сприятливим для життєдіяльності метаноутворюючих мікроорганізмів є середовище, в якому концентрація сухої речовини знаходиться на рівні 8–12%, а довжина частинок біомаси – не більше 30 мм. Оптимальним співвідношенням азоту та вуглецю є 10–30: 1 (С: N). Перший і другий етапи біометаногенезу – це кисла фаза або воднева (рН 4,0–6,5), а третя метанова фаза – лужна (рН 7,2–7,6).
Оптимальними температурами, за яких життєдіяльність мікроорганізмів відбувається найбільш активно, є: для психрофітів – 6–20 °С, мезофілів – 32–33 °С, а для термофілів 52–54 °С.
Тому розрізняють три температурних режими одержання біогазу:
1) психрофільний – від 0 до 20 °С;
2) мезофільний – від 20 до 40 °С;
3) термофільний – від 40 до 60 °С.
В зброджуваній біомасі повинні бути відсутні важкі метали, антибіотики тощо.
1.1.3 Біогаз і його використання
При розкладанні органічних речовин без доступу повітря (анаеробне розкладання – менаногенез) синтезується біогаз, головними енергетичними складовими якого є метан (CH4), вуглекислий газ, інші складові. У таблиці 1 вказаний склад і властивості біогазу.
Таблиця 1. Склад і властивості біогазу
| Показник | Meтан | CO2 | H2 | H2S | Біогаз (60% CH4і40% CO2) |
| Об'єм [%] | 55 – 70 | 27 – 44 | 1 | 3 | 100 |
| Теплотворна здатність [MДж.м3] | 35,8 | – | 10,8 | 22,8 | 21,5 |
| Питома вага [кг. м3] | 0,72 | 1,98 | 0,09 | 1,54 | 1,2 |
Таблиця 2. Вихід біогазу
| Місткість реакторам3 | Кількість голів, | Продукція біогазу | |
| MДж/день | м3/день | ||
| Кури – несучки | |||
| 500 | 35 000 | 9 600 | 400 |
| 2 000 | 142 000 | 39 000 | 1 800 |
| 4 000 | 283 000 | 77 700 | 3 500 |
| 10 000 | 710 000 | 195 000 | 8 800 |
| Свині | |||
| 500 | 1 500 | 7 000 | 300 |
| 2 000 | 6 000 | 27 000 | 1 200 |
| 4 000 | 12 000 | 55 000 | 2 500 |
| 10 000 | 30 000 | 139 000 | 6 200 |
| Дійні корови | |||
| 500 | 160 | 5 000 | 230 |
| 2 000 | 650 | 21 000 | 960 |
| 4 000 | 1 300 | 42 000 | 1 900 |
| 10 000 | 3 200 | 106 000 | 4 800 |
Можна визначити такі напрями використання біогазу:
– спалювання в котельних агрегатах для нагрівання води та використання її у технологічному процесі або іншими споживачами;
– підготовка біогазу та подавання його в газорозподільні мережі місцевих споживачів природного газу;
– підготовка і заправка біогазом газобалонних автомобілів, тракторів;
– вироблення електроенергії.
Біогаз має усі переваги, що властиві природному газу. Він легко транспортується газопроводами, згоряє без диму, кіптяви й залишку (попелу, шлаку).
1.1.4 Тверда фракція (шлам) і його використання
Шлам містить значну кількість поживних речовин (Табл. 3.) і може використовуватись як цінне знешкоджене органічне добриво або кормові добавки. Він не має специфічного запаху.
В шламі поживні речовини знаходяться в більш доступній для рослин формі. При анаеробному зброджуванні зберігаються необхідні для рослин біогенні елементи (N, Р, К), а при компостуванні їх втрати складають до 40%.
Шлам використовується як білкова і вітамінна кормова добавка.
Аналіз шламу на наявність патогенної мікрофлори свідчить, що кишкові мікроорганізми гинуть при температурі зброджування 37 °С (тобто при мезофільному режимі). Шлам може використовуватися як субстрат для черв'яків без попередньої підготовки (ферментації), що є важливим фактором при створенні безвідходної біотехнології переробки гною.