ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОРЕАКТОРОВ В АГРОКОМПЛЕКСЕ МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ

2007

          Актуальность темы исследования в том, что использование местных возобновляемых ресурсов не только способствует экономии дорогого привозного топлива, но и повышает энергетическую безопасность нашего региона. Цель исследования изучить принцип использования отходов сельскохозяйственного производства для энергетических нужд, оценить предпосылки для развития биоэнергетики в Мурманской области, для чего исследовать мировой и местный опыт. Использовались материалы ряда конференций, Интернета и экспедиций 2005-2006 гг. по области.

          В Мурманской области существует ряд предпосылок для развития биоэнергетики в региональном агропромышленном комплексе (АПК). В первых, уже имеется ряд хозяйств, в которых выращивают кур, свиней, содержат коров. Каждое такое хозяйство имеет помето- или навозохранилище, которые необходимо регулярно освобождать для приема новых поступлений. Таким образом, формируется тот возобновляемый ресурс, который может быть использован для получения качественных энергоносителей – электроэнергии, тепла, горячей воды. Кроме того, многие хозяйства АПК не справляются с объемами хранения органических отходов, что ведет к аварийным ситуациям – переполнению хранилищ. Такая ситуация сложилась на Кольской птицефабрике, например. Таким образом, биоэнергетика может стать спасателем окружающей среды и решить серьезную экологическую проблему за счет переработки навоза в биоудобрение. Проведенные исследования рынка биологического удобрения показали растущий спрос. Мурманский тепличный комбинат, «Цветы Заполярья» испытали удобрение с «Лейпи», получили отличные результаты. Урожай выше на 20-30 % по сравнению даже с участками, где используется минеральное удобрение. Вместе с тем в области остро стоит вопрос конверсии некоторых северных военных городов, так называемых ЗАТО. Необходимо решить проблемы обеспечения работой и продуктами нескольких тысяч людей. Таким образом, формирование новых объектов АПК может быть рассмотрено как один из вариантов решения, что является еще одной предпосылкой развития биоэнергетики в области. Более того, сельскохозяйственное развитие включено в число приоритетных направлений экономики Правительством России, поэтому предприятия АПК получают поддержку в виде дотаций государства, и это еще одна, экономико-политическая предпосылка для развития биоэнергетики.

          Принцип получения энергии из сырой органики используется давно, поскольку является не только древнейшим, но наиболее эффективным методом получения из биомассы биогаза (метана). Биометаногенез или метановое «брожение» был впервые описан в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе[1] [1]. Биогаз, получающийся в ходе этого процесса, представляет собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода (Н₂S) и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и закиси углерода. Газ метан дает пламя синего цвета и не имеет запаха. Его бездымное горение причиняет гораздо меньше неудобств людям по сравнению со сгоранием дров, навоза жвачных животных или кухонных отбросов. Энергия, заключенная в 28 м³ биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м³ природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива. Биометаногенез осуществляется в три этапа: растворение и гидролиз органических соединений, ацидогенез и метаногенез. В энергоконверсию вовлекается только половина органического материала—1800 ккал/кг сухого вещества (сравнените с 4000 ккал при термохимических процессах). Однако остатки, или шлаки, метанового «брожения» используются в сельском хозяйстве как удобрения. В процессе биометаногенеза участвуют три группы бактерий. Первые превращают сложные органические субстраты в масляную, пропионовую и молочную кислоты; вторые превращают эти органические кислоты в уксусную кислоту, водород и углекислый газ, а затем метанообразующие бактерии восстанавливают углекислый газ в метан с поглощением водорода, который в противном случае может ингибировать уксуснокислые бактерии[2]. Метановое «брожение» происходит в водонепроницаемых цилиндрических цистернах (метантенки)[3] с боковым отверстием, через которое вводится ферментируемый материал. Сверху метантенк оснащен стальным цилиндрическим контейнером, который используется для сбора газа. Нависая над бродящей смесью в виде купола, контейнер препятствует проникновению внутрь воздуха, так как весь процесс должен происходить в строго анаэробных условиях. Как правило, в газовом куполе имеется трубка для отвода биогаза. Метантенк изготовляют из глиняных кирпичей, бетона или стали. Купол для сбора газа может быть изготовлен из нейлона; в этом случае его легко прикреплять к метантенку, изготовленному из твердого пластического материала. Газ надувает нейлоновый мешок, который обычно соединен с компрессором для повышения давления газа. Вся конструкция называется биореактор. При использовании жидкого навоза, соотношение между твердыми компонентами и водой должно составлять 1:1 (100 кг отходов на 100 кг воды), что соответствует общей концентрации твердых веществ, составляющей 8—11% по весу. Смесь сбраживаемых материалов обычно засевают ацетогенными и метаногенными бактериями или отстоем из другого биоректора. Низкий рН подавляет рост метаногенных бактерий и снижает выход биогаза; такой же эффект вызывает перегрузка биореактора. Против закисления используют известь. Оптимальное «переваривание» происходит в условиях, близких к нейтральным (рН 6,0—8,0). Максимальная температура процесса зависит от мезофильности или термофильности микроорганизмов (30—40° С или 50—60° С); резкие изменения температуры нежелательны. Обычно биореакторы погружают в землю, чтобы использовать изоляционные свойства почвы. В условиях холодного климата их подогревают. С точки зрения питательных потребностей бактерий избыток азота (например, в случае жидкого навоза) способствует накоплению аммиака, который подавляет рост бактерий. Для оптимальной переработки соотношение C/N должно быть порядка 30:1 (по весу). Это соотношение можно изменять, смешивая субстраты, богатые азотом, с субстратами, богатыми углеродом. Так, C/N навоза можно изменить добавлением соломы. Отходы сельскохозяйственного производства характеризуются высоким содержанием углерода, поэтому они лучше всего подходят для метанового «брожения», тем более что некоторые из них получаются при температуре, наиболее благоприятной для этого процесса. Желательно перемешивать суспензию сбраживаемых веществ, чтобы воспрепятствовать расслаиванию, которое подавляет брожение. Твердый материал необходимо раздробить, так как наличие крупных комков препятствует образованию метана. Обычно длительность переработки навоза крупного рогатого скота составляет две-четыре недели. Двухнедельной переработки при температуре 35°С достаточно, чтобы убить все патогенные энтеробактерии и энтеровирусы, а также 90% популяции Ascaris lumbricoides и Ancylostoma. Таким образом, остатки, или шлаки, метанового «брожения» это действительно экологически чистые удобрения.

          Примеры успешного использования биоэнергетики в мире. Ряд стран с преобладающей сельскохозяйственной экономикой выбрали ориентацию на биоэнергетику[2][4]. В Европе, включая ее северные территории такие как, Швеция работают тысячи биореакторов. А в Индии уже в конце 1979 г. работало не менее 100 тысяч установок. В Китае в этот же период насчитывалось 10 млн. установок. Сырьем для загрузки установок в этих странах являются отходы животноводческих ферм и птицефабрик. В Израиле с 1974 г. производством биогаза занимается «Ассоциация киббуци индастриз» (KIA). Проведены фундаментальные исследования процесса метаногенеза при активном участии нескольких университетов и промышленных исследовательских институтов под эгидой министерства энергетики. Анаэробное брожение происходит при 55°С. Исследователи добились повышения выхода биогаза до 4-6,5 м³ в сутки на каждый кубометр объема цистерны дайджестера (что в десять раз превышает обычный выход). Биогаз состоит из 62% метана и 38% углекислого газа; последний предполагают использовать в теплицах для ускорения фотосинтеза культивируемых растений. Отходы переработки, содержащие только 12% твердого вещества, можно использовать в качестве кормов.

Это помогло сэкономить половину гранулированных кормов из злаков. Как показали эксперименты, богатые белками, минеральными солями и витаминами отходы крупного рогатого скота и овец можно использовать в качестве корма для скота, заменяя ими до 25% сухого вещества поглощаемой пищи. Производство биогаза путем метанового «брожения» отходов - одно из возможных решений энергетической проблемы в большинстве сельских районов развивающихся стран. И хотя при использовании коровьего навоза только четверть органического материала превращается в биогаз, последний выделяет тепла на 20% больше, чем его можно получить при полном сгорании навоза.

          Есть и местные примеры успешного использования биогаза – хозяйство «Лейпи» в Ковдорском районе. Здесь впервые на Кольской земле появились реакторы по производству биогаза, который затем используется для выработки электроэнергии, тепла и горячей воды для хозяйственных нужд. При этом освобождается навозохранилище, рассчитанное на 17 тыс. тонн органики в год и производится высококачественное абсолютно безвредное органическое удобрение, которое позволяет удовлетворять собственные нужды хозяйства и идет на продажу, позволяя ускорить сроки окупаемости установки. В хозяйстве 7 рабочих участков, на которых содержат птиц, свиней, коров и даже выращиваются замечательные по своим свойствам грибы вешенки. До 2002 года, когда предприятие было сброшено с баланса Ковдорского ГОКа и стало муниципальным предприятием, были еще бычки, теплицы и большой колбасный цех. На одном из участков, где содержатся коровы рекордсменки (дающие самые большие удои в России!), второй год работает биогазовая установка. Сейчас она состоит уже из четырех емкостей в среднем по 50 м³, которые собирали вручную. Установка работает в мезофильном режиме, то есть требует предварительного нагрева до 35^о, и производит от 45 до 65 м³ газа в день. В емкости закладывают органическое топливо – смесь коровяка (30%) с пометом (70%) разводят водой и выдерживают 20 дней, в результате выделяется газ метан, который затем проходит очистку водой и поступает в горелку газового котла. Часть выполняемой биологическим газом работы идет на подогрев самой установки, но главное отапливается коровник, готовится горячая вода и производится электроэнергия для освещения. В планах довести производительность до 70 м3 в день, чтобы гарантированно обеспечить обслуживаемый участок светом, теплом и горячей водой. Поэтому планируется добавить резервную емкость на 50 м³. Директор отмечает, что производительность установки во многом зависит от того, как сработает персонал – содержимое емкостей необходимо перемешивать каждые 3-4 часа. Еще планируется поставить одну установку из трех емкостей на участок, где располагается автотранспорт и ремонтная база и где постоянно необходимы значительные объемы горячей воды для мытья молоковозов и доильных агрегатов. В 2001 году убытки хозяйства составили 16 млн. рублей, а в 2002 году их удалось снизить до 1,8 млн. за счет реорганизации (отказ от теплиц, бычков и уменьшение колбасного цеха). Одновременно начали решать острую проблему энергоснабжения – перешли на электрокотлы, отказались от услуг поселковой мазутной котельной. Это было своевременное и верное решение – сегодня тонна мазута стоит уже 8 тыс. рублей. Однако, посредник между Колэнерго – Ковдорская горэлектросеть продает кВт за 1,6 рублей, а хозяйство потребляет больше 4 МВт в год. Уже в 2004 году мудрый хозяин «Лейпи» Рафаил Вагизов принимает решение о строительстве биогазовых
установок. В 2005 году проводимая Вагизовым энергетическая политика позволила сэкономить 6 млн. рублей, а в 2006 году планируется экономия 10 млн. Параллельно он строит свою подстанцию, чтобы уйти от посредника и покупать электроэнергию напрямую от Колэнерго. Не все так просто. Вот трудности, с которыми сталкивается зарождающаяся биоэнергетика России. Отсутствуют отечественные промышленные установки, а купить за рубежом за 500 тыс. евро, да еще доставить неимоверно дорого. Пока можем только разглядывать в Интернете шведские реакторы на 5 тысяч кубов, а бывают и на 20 тысяч. То, что биогазовые установки приходится делать своими руками из чего придется – метаненки (емкости) собираются из брошенных баков, списанных цистерн и т.д. – не главная беда. Нет нормативной базы по строительству и эксплуатации метановых установок. Когда Р. Вагизов обратился в Ростехнадзор за разрешением на использование собранной установки, при этом он сам разработал методики и инструкции по эксплуатации, ему ответили, что это исключительно его личная ответственность. Мелких чиновников, наверно, можно понять. Но как понять российское Правительство, которое приняло Постановление, в соответствии с которым до 2010 года в России должно появиться всего 195 установок исключительно в Ставропольском и Краснодарском Краях.

          По результатам исследования можно сделать следующие выводы. Производство биогаза имеет следующие достоинства:

- источник энергии, доступный для различных по масштабу хозяйств;

- отходы процесса служат высококачественными удобрениями;

- процесс получения поддерживает чистоту окружающей среды.

          Однако на пути развития предприятий, производящих биогаз, стоят не только технические, но и социально-политические проблемы.

Что требует усовершенствования:

- сокращение числа стальных элементов оборудования;

- разработка эффективных нагревателей;

- усовершенствование процесса брожения и деградации отходов;

- создание биореакторов с оптимальной конструкцией для сельских и городских общин;

- объединение систем производства биогаза с другими нетрадиционными источниками энергии;

- оптимальное использование переработанных отходов;

- создание нормативно-правовой базы использования биореакторов.