Туинова С.С.

Институт экономических проблем КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия

The main principles and approaches to utilization of agricultural waste for energy consumption and estimation possibilities for bio-energy development in Murmansk region are researched in this article. To get these results the author has investigated world and local experience, and data of several conferences, internet and expeditions over this region.

В Мурманской области существует ряд предпосылок для развития биоэнергетики в региональном агропромышленном комплексе.

Во-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 агропромышленного комплекса не справляются с объемами хранения органических отходов, что ведет к аварийным ситуациям - переполнению хранилищ. Такая ситуация сложилась, например, на Кольской птицефабрике.

Следовательно, биоэнергетика может стать спасателем окружающей среды и решить серьезную экологическую проблему за счет переработки навоза в биоудобрение. Проведенные исследования рынка биологического удобрения показали растущий на него 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 агропромышленного комплекса 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 агропромышленного комплекса получают поддержку в виде дотаций государства, и это еще одна, экономико-политическая предпосылка для развития биоэнергетики.

Очень важно, что использование этих местных возобновляемых ресурсов не только способствует экономии дорогого привозного топлива, но и повышает энергетическую безопасность нашего региона.

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]. 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.

Еще в 1967 г. Брайант и др. установили, что уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, который ранее считался одним микробом и назывался Methanobacillus omelianskii [2]. Для всех метанобактерий характерна способность к росту в присутствии водорода и углекислого газа, а также высокая чувствительность к кислороду и ингибиторам производства метана. В природных условиях метанобактерии тесно связаны с водородобразующими бактериями: эта трофическая ассоциация выгодна для обоих типов бактерий. Первые используют газообразный водород, продуцируемый последними; в результате его концентрация снижается и становится безопасной для водородообразующих бактерий.

Метановое «брожение» происходит в водонепроницаемых цилиндрических цистернах, называемых метантанки (от англ. metan tank), с боковым отверстием, через которое вводится ферментируемый материал. Сверху метантанк 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 [3]. 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 [4]. 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.

Существует множество примеров успешного использования биоэнергетики в мире. Ряд стран с преобладающей сельскохозяйственной экономикой выбрали ориентацию на биоэнергетику [5]. В Европе, включая ее северные территории такие как, Швеция работают тысячи биореакторов, причем вырабатываемый газ идет не только на собственные нужды хозяйства, но и на продажу.

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.

К сожалению наши местные примеры успешного использования биогаза не так многочисленны. К ним относится хозяйство «Лейпи» в Ковдорском районе, куда в 2006 году выбралась экспедиция ученых и общественных экологов. 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, на предприятии были еще бычки, теплицы и большой колбасный цех, которые пришлось значительно сократить. На одном из участков, где содержатся коровы рекордсменки (дающие самые большие удои в России!), уже не один год работает биогазовая установка. 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. Важно отметить, что производительность установки во многом зависит от того, как сработает персонал - содержимое емкостей необходимо перемешивать каждые 3-4 часа. В планах предприятия строительство еще одной установки 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.

Примечателен опыт Ковдорского агропромышленного хозяйство «Лейпи» в решении экономических проблем энергоснабжения. 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. Поэтому 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 экономия составила 10 млн. Параллельно он строит свою подстанцию, чтобы уйти от посредника и покупать электроэнергию напрямую от Колэнерго.

Представляется важным отметить трудности, с которыми сталкивается зарождающаяся биоэнергетика не только в Мурманской области, но и в целом по 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 - метатанки (емкости) собираются из брошеных баков, списанных цистерн и т.д.
• Нет нормативной базы по строительству и эксплуатации метановых установок. Так например, когда руководитель вышеупомянутого предприятия «Лейпи» обратился в Ростехнадзор за разрешением на использование собранной установки, при этом он сам разработал методики и инструкции по эксплуатации, он получил ответ, что это исключительно его личная ответственность. При этом мелких чиновников на местах, наверно, еще можно понять. Однако трудно 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, северные регионы не рассматриваются вовсе.

Таким образом, по результатам выполненного исследования можно сделать следующие выводы. На пути развития предприятий, производящих биогаз, стоят не только технические, но и социально-политические проблемы. Необходимы технические усовершенствования, которые позволили бы сократить число стальных элементов оборудования, подверженных коррозии. Важна также разработка эффективных нагревателей для усовершенствование процесса брожения и деградации отходов. Надо учитывать масштабы и условия работы при создании новых биореакторов с оптимальной конструкцией для сельских и городских общин, а также возможность объединения систем производства биогаза с другими нетрадиционными источниками энергии, то есть их совместной работы. Предусматривать схемы оптимального использования переработанных отходов.

Необходима целенаправленная государственная политика в области биоэнергетики и создание нормативно-правовой базы использования биореакторов, поскольку производство биогаза имеет существенные достоинства. Это, с одной стороны, источник энергии, доступный для различного по масштабу хозяйства. А с другой, отходы процесса производства энергии из сырой органики агропромышленного комплекса образуют высококачественное удобрение. Можно сделать главное заключение, что этот процесс получения биоэнергии поддерживает чистоту окружающей среды.

Литература
1. Кузьмина Н.А. Основы биотехнологии. М.: Биоэнергетика, 2005.
2. А.Мельников Отходы жизнедеятельности становятся ресурсом современной экономики https://www.vedomosti.ru
3. Ремизов А.Д. Биологическая очистка воды https://www.akvastroiservis.com/7
4. КОУД. Как поднять деньги и направить их на развитие предприятия? https://koud.bmpa.ru/
5. Материалы Конференции ООН по науке и технике для развивающихся стран (1979)

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья том 2