Разработка технологической схемы переработки отходов птицеферм с получением биогаза

Министерство  образования и науки, молодежи и спорта Украины

Сумской государственный университет

Кафедра прикладной экологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая робота

по дисциплине «Экологические биотехнологии»

 

 

 

Тема: «Разработка технологической схемы переработки отходов птицеферм с получением биогаза»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила                                                          студентка группы ЕК-71

Матюшенко И.Ю.

Проверил  д.т.н., профессор

Филатов Л.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сумы 2011

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ          3

Раздел 1 ХАРАКТЕРИСТИКА ОТХОДОВ ПТИЦЕФЕРМ          5

        1.1Состав отходов 5

        1.2 Влияние данных отходов на окружающую среду 

Раздел 2 ПРОЦЕСС МЕТАНОВОГО БРОЖЕНИЯ 

2.1 Общая характеристика процесса

2.2 Стадии анаэробного разложения органических веществ

2.3 Факторы, влияющие на процесс брожения

2.4 Интенсификация метанообразования

Раздел 3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ        

                БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

3.1. Сбор и подготовка

3.2 Метановое сбраживание

3.3. Сбор и использование биогаза

3.4. Разделение сброженной (отферментированной) массы

3.5. Сбор и использование продуктов  разделения отферментированной 

      массы

3.6. Внутренние коммуникации, насосное  оборудование и арматура

Раздел 4 ЭКОЛОГИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ СХЕМЫ

        4.1 Характеристика биогазовой установки

4.2 Предложения по экологизации  биогазовой установки

        ВЫВОДЫ 28

Список ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 29

пРИЛОЖЕНИЯ

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Тема данной работы: «Разработка технологической схемы переработки отходов птицеферм с получением биогаза».

Цель работы – приобретение практических навыков и умений в процессе разработки экологических биотехнологических схем.

Предмет исследования – использование биогазовых установок при переработке отходов птицеферм.

Объект исследования – биогазовая установка, как экологическая биотехнологическая модель.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задания:

• охарактеризовать отходы птицеферм;
• изучить процесс метанового брожения, выделить основные его этапы;
• определить факторы, которые влияют на данный процесс;
• выделить основные элементы биогазовой установки;
• дать характеристику каждому из этих элементов;
• разработать конкретную схему биогазовой установки;
• внести предложения по ее экологизации.

 

Актуальность работы. На данный момент существует проблема утилизации отходов птицеферм, которая заключается в том, что птичий помёт (как основной вид отходов) не смотря на его удобрительные качества, не может использоваться сразу на полях как удобрение. Для этого он должен определенное время (близко 3 лет) хранится в емкостях, что может повлечь за собой загрязнение почв, подземных и поверхностных вод нитратами, фосфатами и другими веществами. Такой же эффект возможен и при избытке внесенных удобрений на поля, которые получают компостированием помёта.

Наиболее перспективной, с точки зрения получения агрохимической (производство удобрений), экологической (обеззараживание и дезодорация) и энергетической (производство топлива и электроэнергии) эффективности, является технология переработки помёта в анаэробных условиях в специальных герметичных реакторах — метантенках, выполненных, как правило, из металла. Благодаря деятельности метанообразующих бактерий в бескислородной среде при температуре 39...40 или 53...55°С в реакторе происходит процесс сбраживания помёта с образованием биогаза. Биогаз — газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием 3-х видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй кислото-образующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Состав биогаза выглядит следующим образом: 55%-75 % метана, 25 %-45 % CO2, незначительные примеси H₂ и H₂S. После очистки биогаза от СО₂ получается биометан. Биометан полный аналог природного газа. Отличие только в происхождении.

   Как видим актуальность темы обуславливается необходимостью решения сложившееся на данный момент проблемы утилизации отходов птицеферм. Сейчас активно проводится внедрение данных биотехнологических схем за рубежом, что подтверждает перспективность, эффективность и действенность  этого метода. Наведем конкретные примеры.

В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом. Страна, которая наибольшим образом развила применение биогаза - Германия. Самое большое количество биогазовых установок в Европе расположено на территории именно этого государства (более 6000). Германия приобрела высокий технологический уровень в этой области. Птицефабрика «Фогтланд» (Германия) оказалась перед угрозой закрытия: 250 тысяч кур-несушек, выделяющие ежедневно 100 кубометров помета, грозили загадить все окрестности Плауена. Очистные сооружения не справлялись с такой нагрузкой. Тогда было принято решение — перерабатывать помет в биогаз. Построенная в 1987 году Плауэнская биогазовая установка производит в сутки свыше 3 000 м³ горючего газа, который подается в котельную птицефабрики. Это на 150 тонн в год снижает расход других видов топлива, необходимого для обогрева курятников, мастерских и бытовых помещений.

Также опыт имеется и в Ковдорском районе Мурманской области. Ковдорский агропромышленный комплекс «Лейпи» в кооперации с фирмой «Биоудобрение» (г. Кандалакша) построил установку из двух биореакторов емкостью 50 м³ каждый для производства биогаза на основе анаэробного метанового сбраживания отходов животноводства в мезофильном режиме. Полученный биогаз используется для выработки электроэнергии, тепла и горячей воды . При этом освобождается навозохранилище, рассчитанное на 17 тыс. тонн органики в год и производится высококачественное, безвредное органическое удобрение, как для нужд хозяйства, так и на продажу, что позволило уменьшить срок окупаемости установки. Биогазовая установка (рис. 1.) требует предварительного нагрева до 35ºС и производит от 45 до 65 м3 газа в день. Исходным сырьем является смесь коровяка (30%) с птичьим пометом (70%), которую разводят водой и выдерживают 20 дней. Полученный в результате метан проходит очистку водой и поступает в горелку газового котла. При этом происходит подогрев самой установки, отапливается коровник, готовится горячая вода и производится электроэнергия для освещения. В планах хозяйства добавить резервную биореакторную емкость на 50 м³ и довести производительность до 70 м³ в день. Затем планируется поставить аналогичную 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.

 

РАЗДЕЛ 1 ХАРАКТЕРИСТИКА ОТХОДОВ ПТИЦЕФЕРМ

 

 

1. Состав отходов

 

 

Основным видов отходов птицеферм  есть птичий помёт, который образуется в результате метаболизму птиц. Приведем состав куриного помёту свежего и  аналогично утиного и гусиного.

 

Таблица 1.1 -  Состав отхода (куриный помёт свежий) [1]

Наименование компонента	Содержание, %
Твердое вещество	23
Летучее твердое вещество	18
C:N	7,5
Лигнин, целлюлоза, полуцеллюлоза, белок, протеиндиамины, аммоний, органические азотные соединения (по азоту)	5,4
Жирные и другие летучие кислоты	5,8
P2O5	4,6
K	2,1

 

Таблица 1.2 - Состав отхода (утиный и гусиный помёт свежий) [1]

Наименование компонента	Содержание, %
Сухое вещество	36,0
Азот общий	2,1
Фосфор (Р2О5)	1,44
Калий (К2О)	0,61
Вода	59,85

 Как видим, существуют некие  различия между данными видами  отходов, что объясняется отличиями  метаболизма.

Кроме того, состав помёта будет зависти  от возраста птиц, поэтому рассмотрим химический состав куриного помёта от кур разного возраста (табл. 1.3).

 

 

 

 

Таблица 1.3 - Химический состав птичьего помета

Показатель	Виды помета
	От кур 198 дней	От кур 550 дней	После термической сушки
Влажность помета, %	72,8	70,7	6,2
Содержание, кг/т: сухое вещество	272	293	938
общий азот	10,2	10,4	60,9
фосфор (Р2О5)	5,2	5,9	38,4
калий (К2О)	0,9	0,9	23,4
кальций	13,0	21,9	27,2
зола	48,2	69,3	150
органическое     вещество	223	223	788
углерод	111	111	394
Отношение углерода к азоту	10,9	10,7	6,4
Микроэлементы: г/т:
железо	9,2	26,5	57,2
цинк	3,6	8,9	19,2
марганец	3,5	7,7	16,6
		-	-
свинец	-
ртуть	-	-	-

 

В таблице приведен химический состав помета кур разного возраста и  сухого помета, прошедшего термическую  переработку при температуре 600 °С. Как видим, количественное содержание органического вещества и минеральных компонентов, микроэлементов зависит от влажности помета. Чем она ниже, тем выше концентрация питательных веществ, а значит, тем ценнее будут получаемые на основе птичьего помета удобрения. В 1 т сухого помета содержится 788 кг органического вещества; азота, фосфора и калия — 122,7 кг; микроэлементов — 93 г.

 В помете содержатся и так необходимые растениям микроэлементы: марганец, цинк, кобальт, медь, железо.

Куриный помет содержащихся в клетках кур содержит перья, которые склонны к образованию плавающей корки, вследствие особенностей кормления также большое количество мела и песка, склонных выпадать в осадок.

 

2. Влияние данных отходов на окружающую среду

 

Птицефабрики — это большие  загрязнители окружающей среды. Во многих странах для снижения негативного влияния их отходов на экологию действуют общегосударственные и региональные программы. Однако опасные остатки могут стать и ценным сырьем, качественным товаром, и, рядом с основной продукцией, приносить неплохие прибыли. Нужно лишь с умом подойти к делу. Существует множество интересных отечественных и зарубежных проектов переработки отходов птицефабрик на удобрение, энергию, корм и т.п.

Птичий помет по своим удобрительным  качествам превосходит навоз, а по быстроте действия не уступает минеральным удобрениям. Качество его зависит от способа содержания и кормления птицы, вида кормов, но самое главное – вида, породы и возраста птицы. Наилучшими удобрительными свойствами обладает куриный помет, по содержанию элементов питания не уступает ему и помет голубей, индеек.

Применение избыточного количества птичьего помета может привести к  вымыванию питательных веществ  в почве и в местных грунтовых  водах. Загрязнение воды отходами может  происходить несколькими способами. Очевидными примерами загрязнения являются прямой сброс в поверхностные воды, предоставление животным прямого доступа к рекам и ручьям, сливание стоков из откормочных площадок и переполнение хранилища птичьего помета. Менее очевидными способами являются весеннее таяние снега содержащего птичий помет, таяние замороженного помета, просачивание в грунт чрезмерно высоких норм, используемых в качестве удобрения, утечки из лагун.

Содержащиеся в птичьем помете нитраты и фосфаты могут способствовать эвтрофикации, в следствие чего начинается быстрый рост водорослей. Избыточные питательные вещества содержащиеся на поверхности воды вызывают цветение водорослей, гибель рыбы и нарушение рыболовецкого промысла, возникновению запаха и уменьшение прозрачности воды. Бактерии, способствующие разложению помета, снижают уровень кислорода в воде. Если концентрация кислорода сильно снижена, больше не могут поддерживаться нормальная водная флора и фауна. В воде начинают активно размножаться болезнетворные бактерии, которые, вместе с выловленной рыбой, могут вызывать различные заболевания у животных и человека. Самым «безопасным» из них является диарея. Вследствие повышения концентрации азота в воде, она становится особенно опасной для здоровья детей, способна вызывать цианоз.

Свежий птичий помет сразу же начинает разлагаться. Принцип бактериального разложения состоит в том, что  сложные молекулы птичьего помета разбиваются  на более простые соединения. Зачастую этот процесс сопровождается выделением газов. Существует два способа разложения, если разложение проходит в присутствии кислорода, то разложение называется аэробным, если без кислорода — анаэробным.