Курсова робота
Тема: «Проектування безвідходного виробництва з використанням біоконверсійних технологій утилізації відходів тваринництва»
Вступ
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. Огляд літератури
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
|
H2
S |
Біогаз (60% CH4
40% 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 реактора м3
|
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.
Таблиця 3. Ефективність використання гною і шламу як добрив
| Кількість внесення
|
Вид добрив
|
|||
| свіжий гній
|
шлам
|
|||
| 18 тон / га | азот | 27,3 кг | азот | 60 кг |
| фосфор | 3,6 кг | фосфор | 16 кг | |
1.1.5 Рідка фракція і її використання
Рідка фракція відповідає вимогам, які висуваються до стічних вод. Її санітарно-гігієнічні показники дозволяють складати її у каналізаційну мережу або водоймища. Але це нераціонально, тому що вона містить значну кількість поживних речовин і може використовуватись як рідке органічне добриво. Крім того, вона може бути субстратом для вирощування мікроводоростей (хлорели, спіруліни), біомаса яких є цінною білковою і вітамінно-мікромінеральною кормовою добавкою до раціонів, а спіруліна – сировиною для фармацевтичної промисловості.
1.2 Біотехнологія вермикультивування
1.2.1 Вермікультивування в світовому господарству
Розведення дощових черв'яків «вермикультивування» – один з перспективних способів утилізації органічних відходів. Дощові черв'яки, прискорюючі у багато разів розкладання органічної речовини, дозволяють у відносно короткі терміни абсолютно екологічно чистим способом перетворити різного роду органічні відходи в цінне гумусоване добриво. Інший одержуваний продукт вермікультури – біомаса дощових черв'яків, успішно використовується як білкова добавка до корму і як біохімічна сировина.
Вермікультура широко поширена в Західній Європі, деяких країнах Східної Європи (Угорщина, Польща), США, Японія, країнах Південно-східної Азії. Там працює досить багато дрібних і середніх підприємств, що виробляють дощових черв'яків для любительського рибальства і на корм домашнім тваринам, садову землю або органічне добриво «вермікомпост».
Доведена висока ефективність вермікультури для переробки відходів тваринництва, овочівництва і інших галузей сільського господарства і, частково, деревообробної промисловості.
Деякі міські відходи, наприклад овочеві відходи з складів і з магазинів, харчові відходи є прекрасним субстратом для культивування черв'яків. З листя, що згрібається на газонах, можна було б одержати органічне добриво для квітникарських господарств.
У США, Канаді, Японії, Франції і у ряді інших країн працюють підприємства, що фінансуються державою або муніципальними органами, які утилізують за допомогою дощових черв'яків мули стічних міських вод і органічні побутові відходи. У США були проведені успішні експерименти по стабілізації за допомогою дощових черв'яків мулів стічних вод. Дослідження показало, що переробка рідкого мулу черв'яками здатна замінити технології висушування і ферментації мулу, що традиційно використовуються, причому процес економічно вигідний.
Широкомасштабні досліди по вермікомпостуванню (переробці за допомогою дощових черв'яків) міських відходів були закладені в Лафкіне (Техас) з рідкими мулами з міських стічних вод; у Кейсвіллі (Меріленд) із зневодненими мулами; у Огдені (Юта) з твердими міськими відходами. Однією з основних проблем, з якою стикалися ці підприємства, є висока вартість ручної праці, оскільки процес маломеханізований.
До 2/3 загальних витрат на вермікомпостування йшло на придбання початкової популяції черв'яків. Проте, вартість переробки однієї тонни сухої речовини мулу за допомогою черв'яків (105–230 $) виявилися дешевшою порівняно з вартістю його традиційної обробки на полях зрошування або за допомогою обезводнення і компостування (150–250 $ на тонну сухої речовини). Устаткування, обслуговуюче 10–15 тисяч черв'яків (одна тонна сухого мулу в день) вимагає 2300 квадратних метрів робочої площі.
У Канаді (Торонто) працює підприємство, що переробляє за допомогою вермікультури стічні мули в суміші з овочевими і фруктовими відходами. Одержуваний продукт – «квіткова земля» має собівартість в 10 центів за кілограм, причому більше половини складають витрати на упаковку. Процес не механізований, річний об'єм виробництва – 500 т. «квіткової землі».
У Японії для переробки стічних вод використовується метод, відомий як процес Ніїмік. Стічні води фільтруються крізь шари ґрунту, заселені дощовими черв'яками.
У Франції на водостічних спорудах в Тулуз-Жінесто за допомогою вермікультури вдалося понизити на одну третину витрати на очищення стічних вод. Є зведення про використовування вермікультури для переробки міських відходів і стоків в Італії, Данії, ФРН, Угорщині і інших європейських країнах.
Широко також поширене в світі (від Фінляндії до Австралії) дрібномасштабне культивування черв'яків в невеликих контейнерах. Черв'яки успішно переробляють кухонні відходи і частину органічних побутових відходів.
1.2.2 Технологія вермікультивування
Черв'яків можна вирощувати просто неба і в закритих приміщеннях. Усі розрахунки, пов'язані вермікультивуванням виконуються з розрахунку на одне ложем. Ложе – це одиниця виміру, якою користувалися американські дослідники, ділянка площею 2 м2
.
Щільність заселення одного ложа може коливатись від 30 до 100 тис. черв'яків (дорослих, молодих і коконів з яйцями). На 1 ложе потрібно 10–12 ц органічних відходів на рік. Одне ложе дає щорічно 4–6 ц біогумусу і близько 30–100 кг біомаси черв'яка.
В наших умовах вермикультивування просто неба сезонне – з квітня по жовтень.
Ложа краще всього влаштовувати на ділянках з певним нахилом для забезпечення нормального стоку води під час дощів і запобігання утворенню калюж. Бажано, щоб підстилаючий ґрунт був піщаним або кам'янистим. Дощові черв'яки дуже бояться вітру. Для захисту від шкідників ложа потрібно влаштовувати на металевих сітках із загнутими краями.
Вітчизняні дослідники рекомендують робити ложа шириною 2 м, довжиною 50 м з відстанню між ними, яка забезпечить проїзд техніки.
В закритих приміщеннях черв'яків можна культивувати цілорічно з влаштуванням лож на бетонній підлозі або на стелажах ящиках, які розміщуються ярусами. В закритих приміщеннях вихід річний продукції більший вдвічі ніж при сезонному культивуванню.
Кормом для черв'яків і повинен містить достатню кількість целюлози (20–25%), мати оптимальну вологість (70–80%), температуру (19–20 °С) і кислотність (6,8–7,2). Шлам після анаеробного зброджування є найкращим субстратом для черв’яків.
Після закладки базовий субстрат безперервно зволожують 1 раз на день протягом 4-х днів, а потім щотижнево протягом 30 діб.
Одночасно з поливом в ложах вимірюється температура і кислотність. Оптимальною є температура 19–20 °С, а рН – 6,8–7,2. Підвищену кислотність корегують шляхом внесення гашеного вапна або крейди (300 г./м2
).
Через 30 днів після закладки базового корму ложа заселяють черв'яками. Але перед цим знову потрібно виміряти усі показники та визначити пробу 50-ти черв'яків
Ложа заселяються черв'яками разом з компостом, в якому вони знаходилися. їх рівномірно розподіляють по поверхні ложа Заселення проводиться у денні години, тому що черв'яки бояться світла і швидко занурюються в субстрат. Після цього поверхня ложа зволожується і покривається соломою або мішковиною.
Після формування лож і закладки в них маточного поголів'я необхідно регулярно контролювати фізико-хімічні показники корму і слідкувати за станом популяції черв'яків.
Нову порцію корму рекомендується вносити тільки через 25–35 днів. Після цього черв'яків підгодовують регулярно навесні, влітку і восени через – 7–10 діб, а взимку – через 25–35 діб. Кожний новий корм має пройти перевірку на якість. Новий корм вноситься шаром товщиною 5–7 см на 70–80% площі ложі.
1.2.3 Використання біомаси черв’яків
При переробці черв'яками 1 т сухого гною отримується до 600 кг біогумусу з вмістом 25–40% гумусових речовин. Останні 400 кг органічних поживних речовин трансформуються в 100 кг біомаси живих черв'яків.
Біомаса черв'яків містить 17–23% сухої речовини і в сухій речовині: протеїну 60–80%, вуглеводів – 17, ліпідів – 6–9, мінеральних солей – 15, азотистих екстрактивних речовин – 7–16%, багато ферментів, вітамінів, мікроелементів, а також майже всі амінокислоти, в тому числі лізин та метіонін.
Білок черв'ячної біомаси має амінокислотний склад, аналогічний м’ясо-кістковому та рибному борошну, що дозволяє використовувати його як джерело повноцінного білка для збалансування раціонів сільськогосподарських тварин та у харчуванні людей.
Норма споживання повноцінного білка повинна становити 10% від загальної його кількості і повністю задовольняється при додаванні в корм 1 г черв'яків на 1 кг живої маси на добу. Черв'ячна біомаса використовується як білкова домішка до раціонів великої рогатої худоби, свиней, птиці, ставкової та акваріумної риби як у сирому, так і вареному вигляді, а також у вигляді борошна в кількостях.
Біомаса черв’яків може використовуватись в їжу людям.
1.2.4 Використання біогумусу
У біогумусі акумульована велика кількість макро- і мікроелементів, є ростові речовини, вітаміни, антибіотики, амінокислоти і корисна мікрофлора. Він гідрофільний, має високу водостійкість, вологоємність, механічну міцність, відсутнє насіння бур'янів. Біогумус може утримувати до 70% води і в 15–20 разів ефективніший за будь-яке органічне добриво.
Переваги біогумусу над іншими видами добрив
· Біогумус – 100% органічне добриво
· Гарантія отримання екологічно чистого урожаю
· Біогумус стимулює природну діяльність корисних мікроорганізмів, ферментів і природних регуляторів росту рослини.
· Дозволяє відновити родючість деградованих земель.
· Після внесення біогумусу в ґрунт позитивний ефект спостерігається впродовж 3-х років.
· Укріплює імунітет рослини.
· У 10 – 15 разів ефективніший за будь-які відомі органічні добрива.
· Абсолютно нешкідливий в будь-яких концентраціях і на будь-яких ґрунтах. Використовується як самостійний ґрунт.
· Не містить патогенної мікрофлори і яєць гельмінтів.
· Не містить солей важких металів.
Оптимальними дозами є 3–3,5 т чистого біогумусу або 4–5 т неочищеного (із залишками субстрату) на 1 га площі. За поживністю 1 т біогумусу рівноцінна 60–70 т гною.
1.3 Біотехнологія культивування спіруліни
1.3.1 Загальна характеристик спіруліни
Спіруліна є мікроскопічною, синьо-зеленою авто-гетеротрофною мікроводоростю, яка культивується в лужному середовищі.
Біологічна маса спіруліни вилучається з живильного рідкого середовища осадженням, згущується і висушується у вигляді порошку, який містить:
· 60–70% засвоюваного протеїну (білка);
· 1,5–12% ліпідів з незамінними жирними ненасиченими кислотами;
· 10–12% засвоєних вуглеводів;
· Вітамін Б12
(у три рази більше, ніж в печінці);
· Бета-каротин (у 15 разів більше, ніж в моркві і обліписі);
· Вітаміни Б1
, Б2
, Б6
, РР;
· Амінокислоти: ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, фенілаланін, треонін, триптофан, валін, аланін, аргінін, чистин, глутамінова кислота, гістидин, тирозин;
· Мінерали: калій, кальцій, магній, цинк, марганець, залізо, фосфор.
Такий «букет» найважливіших поживних і фізіологічно активних речовин, в потрібній пропорції, не міститься ні в якому іншому відомому харчовому продукті.
Біомаса спіруліни застосовується як харчовий продукт, а також лікарський препарат як високоефективний засіб від 80% хвороб.
Засвоюваність протеїну, жирів і вуглеводів спіруліни організмом людини і тварин перевершує 95%, що не зустрічається ні в одному іншому рослинному або тваринному харчовому продукті. Цим і обумовлена її висока цінність.
1.3.2 Живильне середовище для вирощування спіруліни
Спіруліна – вибаглива фототрофна ціанобактерія і для свого росту вимагає збалансованого живильного середовища, до складу якого мають обов'язково входити такі біогенні елементи, як вуглець, азот, фосфор, сірка, магній, натрій, калій, залізо. Особливе значення має концентрація азоту в середовищі.
Вуглець. На відміну від наземних рослин, яким доступна лише атмосферна сполука СО2
, водорості можуть вуглецеву кислоту та її іони.
Поряд з вуглецем для синтезу органічної речовини водорості використовують водень, кисень, фосфор та азот.
Азот. Спіруліна може асимілювати азот за рахунок його трьох форм: газоподібний, у вигляді неорганічних сполук та азот біополімерів. Здатність фіксувати газоподібний азот виявлено лише у прокаріот, до яких належить і спіруліна. З мінеральних сполук використовуються іони нітрату, нітриту і амонію.
Фосфор необхідний клітинам спіруліни для синтезу нуклеїнових кислот, фосфоліпідів і складних ефірів фосфорної кислоти. Єдиним природним джерелом неорганічного фосфору для спіруліни є ортофосфати. Синьо-зелені водорості здатні накопичувати надлишок фосфору у вигляді гранул. Оптимумом є співвідношення C:N:P як 106:16:1.
1.3.3 Використання біомаси спіруліни
Біомаса спіруліни застосовується у годівлі тварин як домішка до раціонів птиці, свиней та риб. Позитивний вплив на м'ясну і яєчну продуктивність курей відмічено китайськими дослідниками при введенні сухої біомаси спіруліни в дозі 5% від маси раціону.
Введення спіруліни в раціон курей забезпечувало більш інтенсивне забарвлення яєчного жовтка пігментами спіруліни, що дозволило уникнути використання дорогих хімічно синтезованих сполук.
Спостереження показали, що при згодовуванні поросятам спіруліни повністю вдалося запобігти виникненню шлунково-кишкових захворювань, стимулювалось прискорення активації ферментативних процесів у шлунку і кишечнику, збуджувався апетит поросят до поїдання кормів, в першу чергу рослинних. Як наслідок, краще збереження поголів'я молодняку на 10–14%. Згодовування пасти спіруліни супоросним та підсисним свиноматкам у дозі від 2 до 20 г. на голову на добу сприяє підвищенню їх резистентності та стійкості до стресів.
Одним із напрямів використання біомаси спіруліни є застосування її в аквакультурі: каротиноїди та фікоціаніни впливають на яскравість забарвлення лосося, форелі та ракоподібних, підвищуючи насиченість забарвлення спини та боків. Жирні кислоти з довгим ланцюгом позитивно впливають на продуктивність риби.
Спіруліни має ряд переваг над іншими кормами рослинного походження: це вміст білка в сухій речовині, амінокислотний склад білка, концентрація ненасичених жирних кислот у складі ліпідів біомаси та вітамінний склад.
Спіруліна використовується також у гуманній медицині як профілактичний та лікувальний засіб.
2. Власні дослідження
До
| Qг доб
=(Ме J+BJ+Mп J) |
nJ | , |
| 1000 |
Qг доб
– добовий вихід гною, т;
Ме
J – добова маса екскрементів від однієї голови, кг;
BJ – добова кількість води, яка потрапляє в систему гноєвидалення, кг;
nJ – поголів’я тварин на фермі, гол;
Mп
J – добова кількість підстилки на 1 гол., кг.
Добова кількість води, яка потрапляє в систему гноєвидалення.
BJ=К Ме
J,
К – коефіцієнт (0,15)
BJ(см)=0,15· 6,0=0,90 (кг);
BJ(відг)=0,15· 5,0=0,75 (кг).
| Qг доб
(свм)=(6,0+0,9+0,5) |
200 | =1,48 (т) |
| 1000 |
| Qг доб
(відг)=(5,0+0,75+0,5) |
1210 | =7,56 (т) |
| 1000 |
Річний вихід гнойової біомаси з використанням підстилки.
Qг річний
= Qг доб
·t,
Qг річний
– річний вихід гною, т;
t – кількість днів у році (365).
Qг річний
(свм)=1,48·365=540,20 (т);
Qг річний
(відг)=7,56·365=2760,31 (т);
Qг річний
(заг)= 540,20+2760,31=3300,51
(т);
Qг доб
(заг)=3300,51/365=9,04
(т)
Вологість підстилкового гною
Wг
= WE – [0,01·Pп
·(WE-Wп
)+0,01·Рв
·(100-WE)],
Wг
– відносна вологість гною, %;
WE – відносна вологість екскрементів (87%);
Wп
– вологість підстилки (солома) – 19,6%;
Pп
і Рв
– співвідношення у гнойовій біомасі підстилки і води (%).
| Pп
= |
Mп
J ·100 |
||
| Ме
J+ BJ+Mп J |
|||
| Рв
= |
BJ·100 | ||
| Ме
J+ BJ+Mп J |
|||
| Рв
(свм)= |
0,9·100 | =12,16 (%) | ||
| 6,0+0,9+0,5 | ||||
| Рв
(відг)= |
0,75·100 | =12,00 (%) | ||
| 5,0+0,75+0,5 | ||||
| Рп
(свм)= |
0,5·100 | =6,76 (%) | ||
| 6,0+0,9+0,5 | ||||
| Рп
(відг)= |
0,75·100 | =8,00 (%) | ||
| 5,0+0,75+0,5 | ||||
Вологість гнойової біомаси:
Wг
(свм)=87 – (0,01·6,76·(87,5–19,6)+0,01·12,16·(100–87))=80,86 (%);
Wг
(відг)=87 – (0,01·8,0·(87,5–19,6)+0,01·12,0·(100–87))=80,05 (%).
Вологість гною, який надходить від різних виробничих груп:
| Wг
= |
81,05+80,86 | =80,46
(%) |
| 2 |
Вміст сухої речовини у гнойовій біомасі:
| Ра.с.р.
= |
Qг
·(100-Wг ) |
| 100 |
Ра.с.р.
– вміст сухої речовини в гнойовій біомасі, т;
Qг
– добовий або річний вихід гною з ферми.
| Ра.с.р.
(доб) = |
9,04·(100–80,46) | =1,77 (т); | ||
| 100 | ||||
| Ра.с.р.
(рік) = |
3300,51·(100–80,46) | =645,04 (т). | ||
| 100 | ||||
Вміст органічної речовини у гнойовій біомасі:
Ор
= Ра.с.р.
·0,8
Ор
(доб)= 1,77·0,8=1,41 (т); Ор
(рік)=645,04·0,8=516,03 (т).
Добова продуктивність реактора, або його пропускна спроможність відносно вихідного гною
| Gдоб
= |
Qг річн
|
, |
| tрічн
-tз |
tрічн
– кількість днів у році (365);
tз
– тривалість випуску й обслуговування реактора, діб (30).
| Gдоб
= |
3300,51 | =9,85 (т/добу). |
| 365–30 |
Добовий обсяг завантаження метантенка (м3
)
| Qдоб
= |
W2
г ·Q г доб |
, |
| W1
г ·qг |
W1
г
– відносна вологість гною, який надходить з ферми, %;
W2
г
– відносна оптимальна вологість гною (89%);
qг
– питома вага 1м3
при оптимальній вологості (1070 кг).
| Qдоб
= |
91·9,04 | =10,74 (м3
). |
| 80,46·1,05 |
Об’єм бродильної камери БГУ (м3
).
| Vк
= |
Qдоб
·100 |
, |
| p·q |
p – добова доза завантаження (для мезофільного процесу 7%);
q – коефіцієнт заповнення камери (0,9).
| Vк
= |
10,74 ·100 | =170,46
(м3 ) |
| 7·0,9 |
Обсяг газогенерації вираховується за вмістом сухої та органічної речовини:
| Vг(с.р.)
= |
Qг
· |
100-W | ·Z | , |
| 100 | ||||
| 100·K·V | ||||
Z – стан розкладання органіки (30%);
K – коефіцієнт розчинності біогазу (1,2);
V – питома вага біогазу (0,00117 т/м3
).
| Vг(с.р.)
доб. = |
9,04· | 100–80,46 | ·30 | =377,61263
(м3 ) |
| 100 | ||||
| 100·1,2·0,00117 | ||||
| Vг(с.р.)
річ. = |
3300,51· | 100–80,46 | ·30 | =137828,60908
(м3 ) |
| 100 | ||||
| 100·1,2·0,00117 | ||||
За органічною речовиною:
| Vг(о.р.)
= |
Qг
|
100- W | · | L | К·р | , |
| 100 | 100 |
К – коефіцієнт зброджування органічної речовини (0,3);
р – вихід біогазу при зброджуванні 1 кг органічної речовини (0,7);
L – вміст органічної речовини (80%).
| Vг(о.р.)
доб. = |
9040 | 100 – 80,46 | · | 80 | 0,3·0,7 | =296,89 (м3
); |
|||||
| 100 | 100 | ||||||||||
| Vг(о.р.)
річ. = |
3300510 | 100 – 80,46 | · | 80 | 0,3·0,7 | =108366,37 (м3
). |
|||||
| 100 | 100 | ||||||||||
Вихід твердої фракції (шламу):
| Мш. річн.
= |
Qг річн.
|
Wq
·Wг |
, |
| Wq
·Wш |
Wq
– вологість рідкої фракції (99%);
Wг
– вологість гною, що завантажується (91%);
Wш
– вологість шламу (68%).
| Мш. річн.
= |
3300,51 | 99 · 91 | =851,75
(т). |
| 99 · 68 |
Добовий вихід шламу: Мш. доб.
=851,75/365=2,33
(т).
Вихід рідкої фракції:
| Мq. річн.
= |
Qг річн.
|
Wг
·Wш |
т. | |||
| Wq
·Wг |
||||||
| Мq. річн.
= |
3300,51 | 91 · 68 | =2448,77
(т). |
|||
| 99 · 68 | ||||||
Добовий вихід рідкої фракції: Мq. доб.
=2448,77/365=6,71
(т).
Визначення кількості субстрату для вермикультивування та його підготовка.
Визначення кількості добавки природних мінералів до субстрату (шламу):
| Км
= |
Мш
· Мм |
, |
| 100 |
Мш
– річна маса шламу, яка може бути субстратом для черв’яків, т;
Мм
– кількість мінеральної добавки (4%).
| Км
= |
851,75·4 | =34,07 (т). |
| 100 |
Визначення маси субстрату разом з природними мінералами:
Qсм
= Мм
+Мш
.
Qсм
= 851,75+34,07=885,82 (т).
Визначення кількості базового субстрату для вермикультивування за сезон:
| Мбср
= |
Qсм
·Кб |
, |
| 100 |
Мбср
|
885,82 ·30 | =265,74 (т). |
| 100 |
Кб
– кількість базового субстрату від загальної маси субстрату (30%).
| Бс
= |
Мбср
|
, |
| n |
Визначення кількості базового субстрату для закладки перших лож:
n – коефіцієнт, який враховує кратність розділення одного ложа (3).
| Бс
= |
265,74 | =88,58 (т). |
| 3 |
Розрахунок кількості лож для початку роботи (Кл1
) та кількості лож за сезон (Кл
):
| Кл1
= |
Бс
|
= | 88,58 | =261 (шт.); | ||||||
| МБс
|
0,34 | |||||||||
| Кл
= |
Бс
|
·к | = | 88,58 | ·3 | =782 (шт.); | ||||
| МБс
|
0,34 | |||||||||
Розрахунок кількості підкормки, яку вносять на всі ложа за сезон.
Qп
=(Кл
·Кп
)·Мп
,
Кп
– кількість підкормок (9 шт.);
Мп
– маса підкормки (0,114 т).
Qп
=(782·9)·0,114=801,92 (т).
Кількість черв’яків для заселення усіх лож:
Кч
=Кл
·Нз
,
Нз
– норма заселення одного ложе черв’яками (15 тис).
Кч
=782·15000=11730000 (шт.).
Визначення наявної кількості живильного середовища:
Qж.с. за рік
=Мq. річн
·1000=2448,77·1000=2448770,0 (л).
Визначення площі необхідної під фотореактори:
| Sф
= |
Qж.с.
|
·П | , |
| Qф
|
Qф
– кількість рідини у лотках (500 л);
П – площа одного лотка (3,5м2
).
| Sф
= |
2448770 | ·3,5 | =17141,40 (м2
). |
| 500 |
Визначення річної потреби в маточній культурі спіруліни (при нормі заселення 0,37 г./л):
Мк за рік
= 2448770·0,37=906043,9 (г).
Визначення виходу товарного біогазу.
Розрахуємо максимальну кількість теплової енергії, необхідної для підігріву біомаси при роботі БГУ в мезофільному режимі:
εбгу тепл. період
=С· (Qг.доб
·245)·Δt, МДж,
εбгу хол. період
=С· (Qг.доб
·120)·Δt, МДж,
εбгу за рік
= εбгу тепл. період
+ εбгу хол. період
, МДж.
Δt – різниця температури зброджування і температури вихідного гною (при температурі зброджування 40˚С Δt взимку=30˚С, влітку=20˚С);
С – питома теплоємність рідкого гною (419 КДж/кг·град).
εбгу тепл. період
=4,19· (9,04·245)·20=185651,57 (МДж),
εбгу хол. період
=4,19· (9,04·120)·30=136397,07 (МДж),
εбгу за рік
= 185651,57+136397,07=322048,64 (МДж).
Визначення кількості біогазу для підігріву біомаси:
| Qбгу
= |
εбгу за рік
|
, |
| q |
q – теплотворна здатність біогазу (22 МДж /м3
).
| Qбгу
= |
322048,64 | =14638,57 | (м3
) |
| 22 |
Частку біогазу необхідна для підігріву біомаси:
| ηн
= |
Qбгу
|
= | 14638,57 | =0,11 |
| Vг
річ |
137828,60 |
Максимально теоретичний коефіцієнт виходу товарного біогазу:
Ктб
= 1-ηн
=1–0,11=0,89
Визначення виходу товарного біогазу:
Vтг
= Vг
річ· Ктб
=137828,60·0,89=123190,03 (м3
).
Добовий вихід товарного біогазу:
Vтг доб.
= Vг
доб· Ктб
=377,61·0,93=337,51 (м3
).
Вихід товарного біогазу на 1 голову:
на добу 337,51 /(200+1210)=0,24 (м3
);
за рік 123190,03 /(200+1210)=87,37 (м3
).
Вихід товарного біогазу на 1 кг сухої речовини:
337,51/1770=0,19 (м3
); 123190,03/645040=0,19 (м3
).
Вихід товарного біогазу на 1 кг органічної речовини:
337,51/1410=0,24 (м3
); 123190,03/516030=0,24 (м3
).
Вихід товарного біогазу на 1 кг гнойової біомаси:
337,51/9040=0,04 (м3
); 123190,03/3300510=0,04 (м3
).
Вихід товарного біогазу на 1 м3
корисного об’єму реактора:
на добу 337,51 /170,5=1,98 (м3
);
за рік 123190,03 /170,5=722,70 (м3
).
Заміна біогазом традиційних носіїв енергії
Заміна енергоносіїв біогазом отриманим за рік
Теплота, МДж; ............................... 123190,03∙22=2710180,76
Електроенергія квт/год; ................. 123190,03∙2=234061,07
Природний газ, м3
; ........................ 123190,03∙0,65=80073,52
Нафта, л;......................................... 123190,03∙0,7=86233,02
Дизельне пальне, л; ....................... 123190,03∙0,65=80073,52
Бензин, л;........................................ 123190,03∙0,64=78841,62
Керосин, л;...................................... 123190,03∙0,6=73914,02
Дрова, кг;........................................ 123190,03∙3,5=431165,12
Кам’яне вугілля, кг; ....................... 123190,03∙1,5=184785,05
Заміна енергоносіїв біогазом отриманим за добу
Теплота, МДж;.................................. 337,51∙22=7425,15
Електроенергія квт/год; ................... 337,51∙2=641,26
Природний газ, м3
; .......................... 337,51∙0,65=219,38
Нафта, л;............................................ 337,51∙0,7=236,25
Дизельне пальне, л;........................... 337,51∙0,65=219,38
Бензин, л;........................................... 337,51∙0,64=216,00
Керосин, л;........................................ 337,51∙0,6=202,50
Дрова, кг;.......................................... 337,51∙3,5=1181,27
Кам’яне вугілля, кг;.......................... 337,51∙1,5=506,26
Визначення кількості біогумусу за сезон.
| Біг
= |
(Qп
+Мбср )·(100-Wш ) |
·Кт
|
, |
| 100 |
Кт
– коефіцієнт транформації (0,55);
Wш
– вологість шламу (68%).
| Біг
= |
(801,92+265,74)·(100–68) | ·0,55 | =187,91 (т). |
| 100 |
Кількість черв’ячної біомаси одержана за сезон.
| Мчб
= |
(Кч
·Пч ·mч )·(100-Wш ) |
·Кт
|
, |
| 100 |
Пч
– кількість потомства від одного черв’яка за сезон (300 шт.);
mч
– маса одного черв’яка (0,0004 кг);
Кт
– коефіцієнт трансформації (0,1).
| Мчб
= |
(11730000·300·0,0004)·(100–68) | ·0,1 | =45020,24 (кг). |
| 100 |
Визначення виходу білкового борошна з черв’ячної біомаси:
ЧБ= Мчб
·кб,
кб – коефіцієнт виходу черв’ячного борошна (0,18).
ЧБ=45020,24·0,18=8103,64 (кг).
Визначення виходу повноцінних білків із черв’ячної біомаси:
| ПБч
= |
ЧБ·ВБ | , |
| 100 |
ВБ – вміст білка у черв’ячному борошні (55%).
| ПБч
= |
8103,64 ·60 | =4457,00 (кг). |
| 100 |
Визначення поголів’я свиней, яким можна згодовувати черв’ячну біомасу при нормі згодовування 9 кг/гол. на рік
45020,24/9 =5002 (гол.)
Розрахунок річного виходу біомаси спіруліни.
| Бс
= |
Qж.с. за рік
·П |
, |
| 1000 |
П – вихід біомаси спіруліни (1,4 г/л).
| Бс
= |
2448770·1,4 | =3428,27 (кг). |
| 1000 |
Визначення виходу сухої маси спіруліни
| Бсвм
= |
Бс
·Ср |
, |
| 100 |
Ср – вміст сухої речовини у спіруліні (17%).
| Бсвм
= |
3428,27·17 | =582,81 (кг). |
| 100 |
Висновки та рекомендації
Безвідходна біотехнологія на базі метанового анаеробного зброджування з залученням технологій вермикультивування та вирощування мікроводоростей надає змоги повною мірою вирішити питання ефективного використання та знешкодженя гнойової біомаси та відходів рослинництва. Окрім цього ми отримуємо низку високорентабельних біотехнологічних продуктів, а саме: біогаз – високоцінний енергоносій, червячну та водоростеву біомасу – прекрасний високопоживний та біологічно повноцінний корм, біогумус – біодобриво, цінність якого неможливо переоцінити та очищену збагачену киснем воду.
Навіть за умови найменшого теоретичного виходу біогазу дане господарство матиме змогу щорічно отримувати еквівалент 80000 м3
природного газу або ж понад 230000 кВт електроенергії. А біомаси черв’яків культивованої на шламі від метанового анаеробного зброджування вистачить аби забезпечити потреби в білкових кормах понад трьох таких господарств як дане. А є ще також біомаса спіруліни!
Отже даному господарству я рекомендую змонтувати БГУ з об’ємом реактора 170–200 м3
. Обладнати вирівняну затишну площадку для вермикультури та зимівник для маточного поголів’я черв’яків. Виготовити лотки для культивування спіруліни, і для інтенсифікації процесу при можливості обладнати тепличні приміщення.
Використання даних технологій матиме позитивний економічний ефект, що можливо стане поштовхом для збільшення поголів’я тварин. В цьому випадку я б рекомендував не поспішати купувати другу БГУ, а при можливості перевести першу в термофільний режим роботи, що може майже на половину збільшити пропускну спроможність реактора з незначним падінням коефіцієнту виходу товарного біогазу.
Список використаної літератури
1. Біотехнологія: Підручник / В.Г. Герасименко, М.О. Герасименко, М.І. Цвіліховський та ін.; За заг. ред. В.Г. Герасименка. – К: Фірма «ІНКОС», 2006. – 647 с.
2. Герасименко В.Г. Биотехнология. – К.: Вища школа, 1989. – 342 с.
3. Герасименко В.Г. Біотехнологічний словник. – К.: Вища школа, 1991. – 167 с.
4. Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни «Екологічні основи безвідходних технологій» для студентів зі спеціальності 7.070.801 – екологія і охорона навколишнього природного середовища / В.Г. Герасименко, М.О. Герасименко, С.В. Мерзлов, В.М. Хар-чишин та ін.~ Біла Церква, 2006. – 22 с.
5. Екологічні основи безвідходних технологій: Методичні вказівки та робочий зошит до виконання лабораторно-практичних робіт для студентів зі спеціальності 7.070.801 – екологія та ожорона навколишнього природного середовища / В.Г. Герасименко, С.В. Мерзлов та ін. – Біла Церква, 2006.36 с.
6. http://www.galaxy.com.ua/svit/ipa/jornal/zhurnal23.htm
7. http://www.ecobusness.ru/ru/selhoz/biohumus/index.html
8. http://bio.1september.ru/articlef.php? ID=200002408
9. http://esco-ecosys.narod.ru/2004_7/art154/page1.htm
10. http://www.ifc.ru/vermi/vermi.html
11. http://akclub.narod.ru/06_Tematicheskie_Napravlenija/01_Poselenija_iz_Rodovyh_pomestij/02_Eco_Dom/01_Teplo/biogaz.htm
12. http://www.sumtech.ru/bank/investproject/p5.htm
13. http://www.usuft.kiev.ua/Sci_F042.htm
14. http://www.vardane.ru/index.php? id=excurs&excode=18
15. http://st-yak.narod.ru/index4–13–1.html