XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние дигестата, полученного в биогазовом реакторе ЗАО «Парохонское Биогаз», на урожайность картофеля

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Жуковин К.С. 1Кравчук С.И. 1

---

1Государственного учреждения образования «Высоковская средняя школа имени Днепровской флотилии» Пинского района

Скребель О.Л. 1

---

1Государственного учреждения образования «Высоковская средняя школа имени Днепровской флотилии» Пинского района

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Экологические проблемы локального масштаба весьма актуальны для сельского хозяйства. В Беларуси много комплексов крупного рогатого скота, свинокомплексов, мощных птицефабрик, и везде остро стоит вопрос экологии. Накапливающиеся животноводческие отходы необходимо утилизировать, но так, чтобы при этом уменьшилась патогенность вредной микрофлоры, выбросы газов в атмосферу и т.д. Навоз является важным источником элементов питания растений, его использование имеет большое значение для регулирования круговорота веществ в земледелии, сохранения и повышения содержания гумуса в почвах. Биогазовые технологии как раз эти вопросы отлично решают.

Также экологическую составляющую можно рассматривать и в глобальном масштабе. Речь идет о снижении выброса парниковых газов, уменьшении загрязнения почвы и водных ресурсов. Если экскременты животных попадают на поля, либо где-то складируются, они всегда попадают в анаэробные условия, при которых начинается вырабатываться метан, который по своему парниковому воздействию в 21 раз вреднее углекислого газа. Перерабатывая экскременты в биогазовых установках, уменьшают выбросы парниковых газов. Метан не попадает в атмосферу, а используется как топливо для получения электроэнергии. Получается тройной эффект: не допускается попадания метана в атмосферу, получается электроэнергия и дигестат (экологически чистые органические удобрения).

Мы выбрали эту тему для научной работы, потому что переработка органических отходов очень актуальна для нашей республики, так, как функционирует много комплексов крупного рогатого скота, свинокомплексов, мощных птицефабрик.

Цель исследования: Выявить экономический эффект от использования дигестата, полученного в биогазовом реакторе ЗАО «Парохонское Биогаз», на урожайность картофеля.

Задачи исследования:

1.Изучить материалы о способе переработки органических отходов. 2.Выявить экономический эффект от использования дигестата, полученного в биогазовом реакторе.

Объект исследования:органические отходы полученные в биогазовом реакторе.

Предмет исследования: выявление экономического эффекта от использования дигестата, полученного в биогазовом реакторе, на урожайность картофеля.

Гипотеза: если перерабатывать органические отходы, можно получить биоудобрение, экономический доход. Сократить срок окупаемости биогазовой установки и уменьшить отрицательное влияние на природу.

Методы исследования:1.Обзор информационных источников; 2.Проведение эксперимента;3.Работа со статистическими данными, анализ.

Глава 1. Получение газа, электроэнергии, тепла и дигестата с помощью переработки биомассы

Использование ископаемого топлива и влияние парниковых газов на окружающую среду инициировали исследования в производстве альтернативных видов топлива из биоресурсов. Количество выбросов парниковых газов в атмосферу растет, при этом основным компонентом является углекислый газ. Кроме того, мировой спрос на энергию стремительно растет. Примерно 88% произведенной энергии в настоящее время производится из ископаемого топлива. Отрицательные тенденции развития традиционной энергетики обусловлены  в основном наличием двух факторов – быстрым истощением природных  ресурсов и загрязнением окружающей среды. С целью снижения расхода природного топлива, последнее десятилетие стремительно развивается альтернативная энергетика. Применение конкретного вида альтернативного топлива зависит от климатических и технологических факторов.

В альтернативной энергетике особое место занимает переработка  биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым  брожением с получением биогаза, содержащего около 70% метана, и дигестата (обеззараженных органических удобрений). Чрезвычайно  важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Газификация животноводческих предприятий связана с существенными финансовыми затратами, связанными со строительством газопроводов и дополнительными газорегуляторными пунктами. Так же животноводство является одним из основных источников выбросов парниковых газов в атмосферу. Метан и закись азота образуются в результате разложения биомассы на животноводческих и птицеводческих фермах при хранении или переработке в системах, способствующих возникновению анаэробных условий. В этом контексте биогаз, получаемый в результате разложения отходов, может играть важную роль в энергетическом будущем при газификации и обогреве животноводческих ферм.

Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей биогазовых технологий.

Процессы разложения органических отходов с получением горючего газа и его использованием в быту известны давно: в Китае их история насчитывает 5 тыс. лет, в Индии - 2 тыс. лет. Природа биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась. Но современные наука и техника создали оборудование и системы, позволяющие сделать эти «древние» технологии рентабельными.

Первая задокументированная биогазовая установка была построена в Индии в 1859 году. В 1895 году биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В настоящее время  в западной Европе работают более 40 000  биогазовых установок, в Китае более 20 000 000

Глава 2. Дигестат (биоудобрение) - ценный продукт работы биогазовой установки

Рациональное применение биоудобрений содействует получению экологически чистой продукции, накоплению гумуса, снижению усталости почвы, улучшению структуры почвы, и в конечном счете повышению ее плодородия.Сегодня в сельском хозяйстве используют различные методы переработки испражнений животных и другой органической массы: компостирование,. вермикомпостирование, переработка навоза личинками мух, компостирование с применением гуматов, настаивание. Традиционные методы переработки органических отходов эффективно используются до сих пор. Но по сравнению с более современными технологиями они уже имеют существенные недостатки: длительный срок, который требуется для «созревания» субстрата до нужной кондиции; «одностороннее» использование – изготовление исключительно удобрения, которое часто остается невостребованным в полном объеме внутри одного хозяйства. В итоге это приводит к тому, что необработанный навоз просто накапливается рядом с животноводческими фермами, что вызывает серьезные нарекания у экологов. Необработанные скопления экскрементов животных, а также их неправильное хранение могут представлять реальную угрозу для окружающей среды. Животноводческих комплексов множество, и недостаточно эффективная их работа по переработке и утилизации отходов жизнедеятельности животных приводит к плачевным последствиям: загрязняются и отравляются нитратами и микробами почвы, грунтовые воды, воздух и близлежащие водоемы. Нарушение условий хранения навоза может способствовать распространению инфекционных заболеваний.

Биогазовые установки позволяют переработать сырье естественного происхождения быстро и разнообразно, «превращая» органические отходы в биогаз и более разнообразно применяемые виды удобрения. В идеале, современное сельское хозяйство, оснащенное биогазовой установкой, может полностью обеспечивать себя топливом, электроэнергией и натуральными удобрениями. Утилизация отходов жизнедеятельности животных в биогазовой установке решает не только вопросы коммерческой выгоды, но и отвечает всем требованиям бережного отношения к окружающей среде.

Биоудобрения, полученные при переработке в биогазовом реакторе по многим показателям в несколько раз лучше других органических удобрений. Вот некоторые из них: Отсутствие семян сорняков. В навозе свиней и крупного рогатого скота и торфе обычно присутствует большое количество семян сорняков. В 1 тонне свежего навоза находится до 10 тыс. семян разных сорняков, которые пройдя через желудок животных, не теряют способность к прорастанию. Отсутствие патогенной микрофлоры. Через органические удобрения часто распространяется много возбудителей заболеваний растений. Например, в навозе могут содержаться свыше 100 опасных для животных и человека болезней: сибирская язва, туберкулез, бруцеллез, паратиф, паратуберкулез, ящур, сальмонеллез, аскаридоз, кишечные инфекции, - это лишь некоторые из них. Биоудобрения, благодаря специальной технологии переработки в биогазовой установке, полностью обеззаражены от патогенной микрофлоры. Наличие активной микрофлоры, которое способствует интенсивному росту растений. Органические отходы, которые используют в качестве удобрения, не имеют или содержат небольшое количество микрофлоры. В навозе содержится 109 колоний/г разной микрофлоры, в том числе и патогенной. В биоудобрениях содержится 1012 - 1014 колоний/г микрофлоры, при этом полностью отсутствует патогенная микрофлора. Отсутствие адаптационного периода. Навоз и другая органика, перед внесением в почву, нуждается в проведении длительной подготовки (6-12 месяцев). Полезные вещества, которые содержатся в них, частично теряются, а остальные начинают действовать в почве лишь на 2-4 год после его внесения. Биоудобрения благодаря своей форме начинают эффективно работать сразу при внесении. Стойкость к вымыванию из почвы питательных элементов. За сезон из почвы вымывается около 80% органических удобрений, потому приходится их ежегодно добавлять в больших количествах. За это же время из почвы вымывается всего до 15% биоудобрений. Таким образом, внесенные в небольшом количестве биоудобрения на ваши поля будут работать на 3-5 лет дольше, чем обычные удобрения. Максимальное сохранение и накопление азота. Недостаточное количество азота в почве приводит к снижению урожайности многих сельскохозяйственных культур. При этом также тормозится эффективный рост растений, ослабляется их стойкость к разным болезням. Длительное азотное голодание ведет к гидролизу белков и разрушению хлорофилла. При длительном хранении (компостировании) органических отходов теряется до 50% азота. В биоудобрениях, благодаря анаэробному сбраживанию органических отходов в биогазовой установке количество общего азота N сохранится полностью, кроме того, содержимое растворимого азота NH₄-n увеличивается на 10 - 15%. Биоудобрения, благодаря своим биологическим свойствам, усваиваются растениями практически на 100%, при этом содержание нитратов в продуктах минимально. Экологическое влияние на почву. Органические удобрения, в не переработанном виде, наносят большой вред почве, загрязняя ее и грунтовые воды. Тогда как биоудобрения являются абсолютно чистым экологическим удобрением.

Глава 3. Принцип работы биогазовой установки на территории ОАО «Парохонское» в Пинском районе

В Пинском районе работают 2 биогазовые установки на территории ОАО «Парохонское». Данные биогазовые установки принадлежат ЗАО «Парохонское Биогаз». Мощность вырабатываемой электрической энергии на двух комплексах (4 биореактора) – 2МВт, общая тепловая мощность - до 2116кВт.

Принцип действия биогазовой

Густой (сухой) навоз привозится из 6 коровьих комплексов ОАО «Парохонское» (в сутки в биореактор загружается и изымается 300 тонн) и разгружается на площадку временного хранения сырья. С площадки навоз грузится в блок подачи сырья, там он измельчается и подается в биореакторы.

Поскольку из комплекса поступает большая часть густого навоза, который содержит около 20% сухой массы, полученный субстрат разбавляется. Выдержка субстрата в биореакторе около 40 суток. Биогаз производится в биореакторах при поддержке постоянной температуры (около 38- 42С °) и перемешивания субстрата в безкислородой среде, для этого внутри сооружения устанавливаются трубки обогрева биореактора. Газ собирается под куполом из двойных мембран между которыми подается воздух для поддержки формы купола и тем самым для поддержки давления биогаза. В биореакторах производится около 520 м3/час биогаза. Субстрат в биореакторе нагревается теплом, собираемым от рубашки охлаждения когенерационной установки.

После ферментации (образования биогаза) отработанный субстрат (дигестат), который по количеству питательных веществ равноценен высококачественному удобрению, при помощи насоса перекачивается в сепаратор. Сепаратор шнекового типа отделяет сухую часть, а отсепарированный субстрат самотёком попадает в резервуар отсепарированного субстрата. Биогаз по трубам подаётся в модуль подготовки и очистки биогаза Фильтрующий материал в модуле подготовки очистки биогаза активировании уголь. После фильтрации биогаз подаётся в когенерационную установку, предназначеную для сжигания получаемого биогаза и получения электрической и тепловой энергии.Факелпредназначен для сжигания излишков биогаза в процессе эксплуатации и при остановке КГУ.Трансформаторная подстанцияпредназначена для приема и передачи электроэнергии в сеть.

Глава 4. Влияние дигестата, полученного в биогазовом реакторе ЗАО «Парохонское Биогаз», на урожайность картофеля

После посещения биогазовой станции ЗАО «Парохонское Биогаз» учащимися нашей школы, нас заинтересовала работа самой станции и переработка органических отходов с целью использования полученного биоудобрения в сельском хозяйстве. Изучив различные источники, было установлено, что использование биоудобрения (дигестата) повышает урожайность в сельском хозяйстве и является экологически чистым удобрением. Был направлен запрос в ОАО «Парахонское» о эффективности использования дигестата. Данных результатов в хозяйстве нет. Мы решили провести эксперимент с использованием дегистата из навоза КРС и свежего навоза КРС с целью подтвердить или опровергнуть имеющуюся информацию о его эффективности. ОАО «Парахонское» по договоренности выделило нашей школе 5 тонн дигестата с условием предоставления данных о итогах проведения эксперимента. В мае месяце на школьном учебно-опытном участке площадью 0,01га бал посажен картофель сорта «Гала». 50% площади было посажено на свежем навозе и 50% на дигестате. Навоз на учебно-опытном участке не вносился последние 5 лет. На первый участок был внесен свежий навоз, а на второй дигестат. Структура дигестата значительно отличается от свежего навоза.

Дигестат на основе КРС

Свежий навоз КРС

Всего было высажено 18 килограмм семян картофеля (по 9 килограмм на каждую часть.

Весной и летом велось наблюдение за ростом картофеля. В течение всего периода наблюдений биомасса наземной части картофеля, росшего на дигестате значительно превышала биомассу картофеля на обычном навозе.

На дигестате

На свежем навозе

В период цветения было проведено исследование наземной биомассы картофеля. Результаты исследования показали, что использование дигестата оказало положительное влияние на биометрические показатели картофеля. В период цветения высота стеблей картофеля росшего на дигестате составила 53,5см., количество стеблей 4,7. Картофель росший на свежем навозе КРС имел высоту стеблей 41см., и количество стеблей 3,7 (Приложение 1).

Во второй половине августа картофель росший на навозе практически высох, а на дигестате оставался зеленым.

В сентябре после уборки и взвешивания было установлено, что масса картофеля полученная с участка с обычным навозом составила 50 килограмм, с участка, с использованием дигестата, 76 килограмм. Всего было получено 126 килограмм картофеля. Урожайность на участке с обычным навозом составила 40%, а на участке с дигестатом 60%. Проведенный эксперемент подтвердил, что применение дигестата увеличивает урожайность. Использование дигестата привело к увеличению урожайности на 20% (Приложение 2)..

При уборке картофеля было установлено, что картофель росший на обычном навозе на 75% поврежден личинкой майского жука, а картофель на дигестате 100% чистый. Данные результаты подтверждают, что после переработки навоза в биореакторе, полученный дигестат экологически чистый от вредителей, в то же время, в свежем навозе присутствуют вредители и сорняки, которые значительно снижают качество и количество урожая.

Полученный картофель был исследован в санитарно-ветеринарной лаборатории центрального рынка города Пинска на наличие нитратов. По данным исследования было установлено, что при допустимой норме нитратов 250 мг/на кг. в картофеле, выросшем на обычном навозе, обнаружено нитратов 198 мг/на кг., а в картофеле, с использованием дигестата, 140 мг/на кг. (Приложение 2). Данные исследования показывают, что дигестат является экологически чистым удобрением.

Глава 5. Состояние и перспективы переработки органических отходов в биогазовых установках в Республике Беларусь

Более 80% топливно-энергетических ресурсов Беларусь экспортирует. Это делает нашу экономику зависимой от изменения цен на поставляемые энергоресурсы и от условий их поставки. Для агропромышленного комплекса Республики Беларусь наиболее выгодной альтернативой ископаемым ресурсам являются проекты на основе биогазовых технологий, которые одновременно позволяют решать три проблемы: энергетическую, экологическую и агрохимическую, помогая эффективно утилизировать отходы сельхозпроизводства. Ежегодно в агропромышленном комплексе Республики Беларусь образуется около 65 млн тонн навоза крупного рогатого скота, 5 млн тонн навоза свиней и около 1,6 млн тонн куриного помета. Переработка навозных стоков животноводческих ферм, комплексов и куриного помета птицефабрик по биогазовой технологии потенциально позволит получать около 3,35 млрд м биогаза и вырабатывать на его основе около 6,7 млн. МВт∙ч электрической энергии, а также 11,5 млн Гкал тепловой энергии. При этом годовая потребность агропромышленного комплекса составляет около 3,5 млн. МВт∙ч. Для реализации такого потенциала суммарная установленная электрическая мощность биогазовых установок должна составлять около 850 МВт. С учетом замещения невозобновляемых источников энергии это способствовало бы ежегодной экономии около 3,87 млн. т. условного топлива Перерабатывая в биогазовых реакторах органические отходы может быть получено около 70 млн. тонн экологически чистых биоудобрений. Внедрение биогазовых установок на объектах с большими объемами образования метана способствует быстрой окупаемости оборудования. Стоимость одной биогазовой установки составляет более 5 миллионов долларов США. Срок окупаемости около 10 лет. Но учитывая эффективность дигестата значительно повышающего урожайность, срок окупаемости в разы меньше. За год только в биогазовых установках на территории ОАО «Парахонское» вырабатывается около 110 тысяч тонн дигестата.

Изученные данные и проведенные исследования показывают, что использование биогазовых реакторов является наиболее эффективным и перспективным способом получения энергии и биоудобрений. Развитие и совершенствование переработки органических отходов в биогазовых установках позволяет значительно уменьшить срок их окупаемости, увеличить урожайность и внести вклад в решение глобальных и локальных экологических проблем.

Заключение

В процессе проведения исследовательской работы были выявлено, что в настоящее время с появлением новых технологий появилась принципиальная возможность не только существенно снизить затраты на ликвидацию биологических отходов, но и получить при этом экономический эффект.

Примером такого взаимовыгодного сотрудничества являются ЗАО «Парохонское Биогаз» и ОАО «Парохонское» на территории Пинского района.

Биогазовые установки - это одновременное решение не только проблем агрохимии и энергетики, но и улучшение общей экологической обстановки и социальных условий жителей села.

Одним из фактором сдерживающих строительство биогазовых установок является их высокая цена. Проведенные исследования показывают, что учитывая влияние дигестата образующегося в процессе работы биогазовых установок, урожайность сельскохозяйственных культур значительно увеличивается, что приводит к сокращению срока окупаемости в несколько раз. В настоящее время в Республике Беларусь работает 42 действующие установки по использованию энергии биогаза. Суммарная электрическая мощность данных установок составляет 54,57 МВт. Для реализации энергопотенциала установленная мощность биогазовых комплексов должна составлять 850 МВт. Количество биогазовых станций мощностью 1МВт должно быть увеличено в 18 раз. Планируется строительство 59 установок по использованию энергии биогаза мощностью 57,17 МВт. При реализации данных мощностей годовая экономия импортируемого газа составит 17%. Анализ эксплуатации биогазовых станций в Пинском районе и целом по Республике Беларусь показывает, что необходимо внедрять технологии, позволяющие использовать тепло, как побочный продукт производства. Тепло может быть использовано для обогрева круглогодичного тепличного хозяйства или производства по сушке и фасовке дигестата с последующей реализацией.

Таким образом, переработка биологических отходов обоснована с экологической и экономической точек зрения. В при хорошо развитой сельскохозяйственной отрасли имеются огромные перспективы для строительства новых биогазовых комплексов и совершенствования работы существующих. Работа в данном направлении позволит увеличит урожайность в сельском хозяйстве и значительно уменьшит отрицательное влияние на окружающую среду.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Садчиков А.В. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАНОВОГО ЭФФЛЮЕНТА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ЦИКЛА АГРОГЕОСИСТЕМ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 1.

2. Садчиков А.В., Кокарев Н.Ф. Биогазовые станции как экологически безопасное средство для повышения биопродукционной способности естественных и культурных ландшафтов // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 4.

3. Соуфер С., Заборски О. Биомасса как источник энергии. – М.: Мир, 1985.

4. Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 06 августа 2015 №662 «Об установлении и распределении квот на создание установок по использованию возобновляемых источников энергии».

5. Об утверждении Национальной программы развития местных и возобновляемых энергоисточников на 2011–2015 годы: Постановление Совета Министров Республики Беларусь, 10 мая 2011 г. № 586.

6. Указ Президента Республики Беларусь от 18.05.2015 № 209 «Об использовании возобновляемых источников и энергии».

7. Энергосбережение и возобновляемые источники энергии / Под общей ред. С. П. Кундаса. Минск, 2011.

Приложение 1

Приложение 2