Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие

Подождите немного. Документ загружается.

вещества свыше 25%. Содержание сухого вещества в пригодного наилучшим

образом к компостированию материала составляет от 40 до 60%.

Важным как и раньше является соотношение углерода и азота (соотношение

C:N), которое должно составлять от 10 : 1 до 40 : 1. Отходы сельскохозяйственного

содержания животных создают хорошие условия как для анаэробного, так и для

аэробного брожения, поскольку они имеют сбалансированный состав питательных

веществ и большой буферный потенциал. При составлении рациона, важно чтобы

загрузка ферментатора была как минимум меньше 4 кг, еще лучше если меньше 3 кг

орган.СВ/м3, независимо от вида субстрата или его смеси.

При сельскохозяйственном производстве биогаза за последние годы произошли

большие изменения в видах используемых субстратов. Сейчас на практике редко

бывает, чтобы использовали исключительно жидкий или твердый навоз. Лишь

некоторые большие предприятия в восточной Германии обслуживают биогазовые

установки, работающие исключительно на жидком гное (смотр. пример установок

Раздел 13). Большинство установок для своей работы используют силос из целых

растений, остатки зерна и силос из сена, иногда работают вообще без гноя.

Кроме большого выхода газа и большой степени разложения, энергетические

растения благодаря поддержке со стороны Законодательства о возобновляемых

источниках энергии ЕС преобрели особое значение.

Все, что в прошлом вызывало столько затрат и вопросов с точки зрения

получения разрешений, законодательства, техники и эксплуатации для

коферментации, сегодня не создает никаких проблем. Значение коферментации

органических отходов от коммунальных хозяйств и агропромышленности

существенно снижается. Высокие требования к безопасности, технике,

документации и получении разрешений, а также не в последнюю очередь

конкурентная борьба за косубстраты, привела к снижению интереса к субстратам и

разработанным под них установкам. Строящиеся или еще существующие на

сегодняшний день коферментационные устнановки имеют высокую специализацию,

хорошо оснащены технически и соответствуют самым современным требованиям.

Расчет для единиц крупного рогатого скота

Вид животных КРС/штук

Крупный рогатый скот

Телята и молодой скот до 1 года (вкл.

откормочных телят, молодняк )

0,30

Молодняк от 1 до 2 лет 0,70

Телки (старше 2 лет), мясные быки, коровы (вкл.

телок с молочными телятами)

1,00

Племенные быки, рабочие волы 1,20

Свиньи

Поросята до 12 кг 0,01

Поросята более 12 кг до 20 кг 0,02

Поросята и подсвинки более 20 кг до 45 кг 0,06

Подсвинки более 45 кг до 60 кг, откормочные

свиньи, откормочный молодняк до 90 кг

0,16

Овцы

Овцы до 1 года 0,05

Овцы более 1 года 0,10

Лошади

Лошади младше 3 лет и маленькие лошади 0,70

Лошади от 3 лет 1,10

Птица Животных/единицу КРС

Куры-бройлеры и молодняк кур (1 возрастная

группа, макс. вес 1200 г)

420

Куры-бройлеры и молодняк кур (2 и более

возрастные группы, макс. вес 800 г)

625

Несущиеся куры (максимальный вес 1600 г) 310

Несущиеся куры (максимальный вес 1500 г) 330

Примечание: единица крупного рогатого скота соответствует 500 кг живого веса

Таблица 3.1: Расчет единиц поголовъя скота и единиц крупного рогатого скота (КРС)

(согласно карманному сельскохозяйственному справочнику KTBL).

Использование стоков для биогазовой установки с одной стороны интересно для

многих фермеров, ведь так они могут экономить на дорогом подключении

канализации; но с другой стороны содержание сухого вещества в стоках как правило

ниже 2%, таким образом приходится искать другие субстраты с достаточным

содержанием сухого вещества. В таких случаях приходится также отказаться от

использования агрессивных моющих и очищающих химических средств. Кроме тго,

размер биогазовой установки должен пребывать в разумном

Выход смеси мочи-кала при 10% сухого вещества для разных видов животных на одну

единицу

Вид

животных

М³ гноя на 1 животное и на

животн. день месяц год

М³ гноя на КРС и на

1 БРС день месяц год

Молочная

корова

1,2

0,055 1,65 19,8

0,83

0,046 1,38 16,5

Мясной бык

0,7

0,023 0,69 8,3

1,43

0,033 0,99 11,8

Молодняк

0,6

0,025 0,75 9,0

1,67

0,042 1,25 15,0

Телята

0,2

0,008 0,24 2,9

5,00

0,040 1,20 14,4

Мясные

телята

0,2

0,004 0,12 1,4

5,00

0,020 0,60 7,2

Мясные

свиньи

0,12

0,0045 0,14 1,6

8,33

0,038 1,13 13,5

Племенные

свиноматки

0,34

0,0045 0,14 1,6

2,94

0,013 0,40 4,8

Поросята

0,04

0,002 0,06 0,7

25,0

0,050 1,50 18,0

Свиноматка +

поросят/год

0,46

0,0140 0,42 5,0

2,17

0,030 0,91 11,0

Куры-несушки

0,0033

0,0002

0,0059 0,071

300

0,0590 1,77 21,2

Таблица 3.2: Выход смеси моча-кал для разных видов животных при 10% сухого

вещества.

Колебания в составе субстрата и выход биогаза

Вид животных

субстрат

Навоз скота

жидкий твердый

Свиньи

Жидкий навоз

Куры

помет

СВ% 7-17 25-40 2,5-13 20-34

оСВ% СВ 44-86 52-84 70-8

кг оСВ/БРС/день 3,0-5,4 2,5-4,0 5,5-10

Уровень рН 6,2-8 6,5-7,6 7-8

Сырые волокна % СВ 12-24 17 12

Сырой жир % СВ 2-5,0 9 2

Сырой протеин % СВ 10-18 24 26

Не содержащие азота

экстракты % СВ

(углеводы)

20-43 32 27

Общее содержание

азота г/л

3,3-9,9 3,9-8,0 17

Выход газа л/кг оСВ

(данные не относятся к

норм. условиям)

176-520 220-637 327-722

Газопроизводительность

м3/БРС/день

0,56-1,5 1,5-2,9 0,60-1,25 3,5-4,0

Газопроизводительность

в среднем

Ø 1,11 Ø 2,0 Ø 0,88 Ø 3,75

Таблица 3.3: Колебания в составе и выходе биогаза для разных видов жидкого и

твердого гноя при мезофильном температурном режиме, время брожения 30-35

дней (согласно разным литературным источникам и собственным замерениям)

соотношении с количеством подаваемой воды. За основу следует брать такой

расчет: для десяти голов РС (14 м

с 8% СВ) можно без проблем использовать стоки

после одного человека. С точки зрения законодательства о защите сточных вод

следует выбирать тип установки с как можно лучшим гигиенизирующим эффектом

(сравн. Разд. 11).

Как правило использование сточных вод для биогазовой установки разрешают

тода, когда прокладывание канала будет обходиться несравнимо дороже или когда

вообще не существует возможности подключения к каналу.

Склонность субстратов к расслоению

Смесь, состоящая из множества разных субстратов, в зависимости от вида

субстратов, имеет очень разные характеристики по расслоению. Это в свою очередь

влияет на оседание и образование плавающей корки и должно учитываться при

выборе мешалки (техники и ее мощности) (смотр. также Раздел «Удаление тяжелых

веществ»).

Всегда действует правило, что чем гуще субстрат или смесь, тем менее она

склонна к расслоению. Гомогенная смесь с небольшим размером составляющих

частиц и высоким содержанием СВ, каковой например является навоз крупного

рогатого скота перемешанный с растительными косубстратами, имеет небольшую

склонность к расслоению. Повышенную склонность к расслоению имеет текучий

жидкий навоз свиней и жидкий куриный помет, картофельный сок и сточная вода в

сочетании с растительными косубстратами как например неизмельченная свежая

солома, скошенная трава и т.п.

Выход газа с органических удобрений, получаемых в крестьянском хозяйстве (контрольные

даные)

Субстрат СВ

[%]

Из них

оСВ

[%]

Биогаз

N/кг

оСВ]

Содержан

ие метана

Метан

N/кг оСВ]

N P

2O5

кг/т

твердого

гноя

Жидкий навоз

скота с

остатками

корма

8 80 370 55% 204 3,5 1,7 6,3

Жидкий навоз

скота без

остатков корма

8 80 280 55% 154 3,3

1,6 5,9

Свиной навоз 6 80 400 60% 240 3,6 2,5 2,4

Твердый навоз

скота

25 80 450 55% 248 4,0 3,2 8,8

Птичий помет,

сухое без

соломы

45 75 500 65% 325 18,4 14,3 13,5

Лошадиный

навоз, без

соломы

28 75 300 55% 164

Таблица 3.4: Контрольные данные по выходу газа с органических удобрений,

получаемых в крестьянском хозяйстве (местные удобрения) (данные рабочей группы

KTBL по выходу газа 2005 г.)

Органические удобрения, получаемые в крестьянском/фермерском

хозяйстве (местные удобрения)

Жидкий навоз являет собой смесь из помета и мочи животных, который лишь

немного задерживается на полу с отверстиями либо

решетчатом полу. С точки

зрения простоты обслуживания именно такой вид стойлового содержания получил

большое распостранение за последние 30 лет в первую очередь при содержании

дойных коров, откормочного скота, откормочных свиней и кур.

Твердый навоз: при содержании племенных коров, телят, свиноматок, коней,

овец и коз или на предприятиях, ведущих деятельность по экологическим

принципам, для стойлового содержания не используют вышеназванных конструкций

пола, таким образом, образовывается комкообразный навоз, который

преимущественно компостируют или непосредственно сразу вывозят.

Жидкий навоз и твердый навоз с рабочей поверхности (шлам, содержащий

кал, мочу и воду с бетонированных поверхностей кормушек и канавок) особенно

хорошо подходит для биогазовых установок. Такой субстрат нельзя компостировать

без других добавок через большое содержание воды. Их компостируют лишь в

одельных случаях в смеси с большим количеством соломы и других волокнистых

материалов.

Навоз с клетки стойла представляет собой смесь кала и мочи скота,

перемешанный с соломой. Образуется на наклонной поверхности, на которую

сверху подают солому. Из-за движения животных слой навоза толщиной 30-70 см

скачивается вниз на непосыпаную поверхность. Смесь кала и мочи с помощью

фронтального погрузчика или шибера вывозится из стойла. В зависимости от

количества подстилки, которая составляет 2-6 кг/голову скота в день, консистенция

такого гноя колеблется от густого до твердого состояния. Фон Хубер, Баллхаймер и

Хайдн установили, что у молочного скота содержание СВ составляет 14,5-24,7%.

Такой навоз без проблем можно компостировать лишь при большом количестве

содержания подстилки. Навоз с небольшим количеством подстилки можно

перерабатывать в биогазовых установках с хорошими мешалками (сравн. Раздел.

4).

При большом количестве подстилки необходимо предпринимать меры по

разбавлению: смешивание с водой, навозной жижей или жидким гноем в резервуаре

предварительного содержания с режущим миксером. Солома еще до посыпания

стойла должна быть измельчена до 10 см. Это необходимо делать еще при сборе

урожая с помощью специальной измельчающей техники. Возможно также

стационарное измельчение на во дворе фермы с помощью мельницы для соломы и

подстилочной машины, но это всегда связано с большим пылеобразованием.

Твердый навоз “образуется” при традиционном способе содержания животных

в коровниках со стойлами с подстилкой при использовании соломы в количестве от

2 до 12 кг на голову РС в день (сравн. Табл. 3.2). Лишь в коровниках со стойлами с

небольшим количеством подстилочной соломы можно получить твердый навоз,

котрый можно брать вилами, поскольку моча животных выводится через

специальные желоба. Твердый навоз легко компостировать. Как уже упоминалось в

Разделе 1, во время зарождения сельскохозяйственной отрасли производства

биогаза в 50-ых годах, использовался исключительно твердый навоз, который

растворяли. Сегодня едва ли существуют установки, работающие на разжиженном

твердом навозе. Для такого вида навоза особо важными являются меры по

измельчению соломы, упомянутые в предыдущей главе. Хорошо, если солома не

нарезается, а расслаивается волокнами, поскольку метановым бактериям нужна

максимальныя площадь поверхности для своего развития.

Состав жидкого и твердого навоза зависит в первую очередь от вида

животных, от цели их содержания, от вида стойла и продуктивности, а также от

кормления, от потерь аммиака и воды через испарение, от использования

подстилки, остатков корма, атмосферных осадков и использованной для очистки

воды.

Каждый фермер, планирующий строительство биогазовой установки, должен

произвести как можно более репрезентативный анализ субстрата и узнать в первую

очередь содержание органического сухого вещества в нем.

Также стоит обратить

внимание на сезонные, зависящие от времени года, колебания в составе и

количестве субстрата. Такие колебания заметны в первую очередь при содержании

большого рогатого скота, если в летнее время кормить животных травой или если

они пасутся на выгонах. Соответственно Таблица 3.3 показывает нам разницу в

разных видах навоза и частично

большие колебания, при использовании одних и тех

же материалов.

Сухая субстанция и органическая сухая субстанция

Существует большая разница между жидким навозом скота и свиней, пометом

кур, а также большие колебания в отдельных параметрах (Таблица 3.3).

Но можно сделать и некоторые обобщения: навоз свиней имеет низкий, навоз

скота имеет средний, а птичий помет имеет высокий процент содержания сухого

вещества. Важное для выхода биогаза содержание органической сухой субстанции

(оСВ) в курином помете в среднем выше, чем в навозе скота и свиней. Низкое

содержание оСВ получается вследствие попадания глины и песка в корм, а также

пыли с бетонных поверхностей. Эти вещества имеют склонность к образованию

осадков в ферментаторе и резервуаре для хранения.

Уровень pH

Уровень pH (уровень кислотности) свиного гноя несколько ниже чем гноя

скота, в то время как куриный помет имеет самый высокий уровень pH (содержит

мел). Влияние уровня pH на брожение и выработку газа уже было изложено в Главе

Содержание сырых волокон

По содержанию сырых волокон (клетчатки), вследствие рациона их больше

всего содержится в навозе скота. Сырые волокна можно хорошо разложить лишь

после длительного брожения. Менее значительными является различие в

содержании сырого протеина и NFE (NFE = азотонесодержащие экстракты = такие

углеводы как крахмал и сахар). Оба эти вида веществ хорошо разлагаются

микроорганизмами. Как уже упоминалось в Главе 2, сырой протеин отвечает за

содержание сероводорода в биогазе. Высокое содержание сырого протеина часто

связано со слишком богатой на белок пищей. Азот хотя метановым бактериям и не

нужен для производства газа, но нужен для образования их собственной клеточной

субстанции (белка). Об изменениях в азотной фракции вследствие анаэробной

обработки будет рассказано в Разделе 10.

Сырой жир

По уровню содержания сырого жира свиной навоз имеет однозначно самые

высокие показатели. Поскольку жир из-за высокого содержания энергии и легкой

разлагаемости (сравн. Раздел 2) имеет очень высокий выход газа, можно

предположить, что свиной навоз лучше подходит для производства биогаза, чем

куриный помет и навоз скота. К сожалению это преимущество более чем

сглаживается в основом низким содержанием СВ и высоким содержанием воды.

Выход газа

Ориентировочные

данные по выходу газа из разных видов сыръя приведены в

Таблице 3.4. Навоз скота имеет самые плохие показатели по выходу газа. Крупный

рогатый скот, как жвачные животные, благодаря особой флоре желудка,

содержащей среди прочих и метановые бактерии, а также длинному кишечному

тракту и сильному измельчению легко перевариваемых веществ, потребляет

существенное количество серой клетчатки. Этот недостаток навоза скота

выравнивается, однако, высоким содержанием сухой субстанции.

Свинья, как и человек, известна своим плохим перевариванием корма, что

вызвано однокамерным желудком и коротким кишечником. Поэтому выход газа

существенно выше чем у скота из-за того, что навоз содержит множество

неразложенных питательных веществ. Куры, как и все птицы, имеют короткий

аппарат переваривания, что обуславливает их малый вес. Переваривание является

неполным. В помете содержится еще большое количество разлагаемых субстанций.

Поэтому помет дает самый большой выход газа. В первую очередь он настолько

богат сухой массой, что, как правило, его необходимо разбавлять водой. Высокое

содержание N может вызвать проблемы с биологическим процессом.

Смесь гноя скота, свиней и кур помогает избежать недостатки кала отдельных

видов животных. Некоторые биогазовые установки на этом успешно работают.

Вследствие специализации в сельском хозяйстве многие биогазовые установки

загружаются навозом одного вида животных; в основном это скот (молочные коровы,

мясные быки, молодняк скота). Меньшее количество установок работает на навозе

откормочных свиней, и лишь несколько потребляют куриный помет (смотр. примеры

установок Раздел 13).

Используя экскременты одного вида животных можно иметь его разный

состав:

• навоз молочных коров более жидкий чем у молодого скота или

мясных быков.

• навоз молодого скота по сравнению с навозом мясных быков дает на 10% меньше

выхода газа из-за меньшей интенсивности в кормлении, навоз молочных коров

имеет значительно меньший выход газа по сравнению с навозом быков.

• свиноматки лучше усваивают корм нежели откормочные свиньи, поэтому навоз

свиноматок дает на 10% меньше газа

нежели навоз откормочных свиней.

Независимо от вида животных инородные вещества в субстрате могут принести

проблемы.

Навоз скота содержит в зависимости от кормления такие частички корма как

трава, сено и силос или даже подстилку. Эти вещества всплывают в гное и в случае

неправильного перемешивания образовывают плавающую корку, которая может

быть настолько толстой и спутанной, что их тяжело разделить. Кроме того при

кормлении травой стоит учесть, что глина, песок или даже камни, попадающие

напрямую или через желудок животных в навоз, таким же образом могут туда

проникать частички металла в виде шурупов или кусочков цынка от

сельскохозяйственных машин.

Свиной навоз имеет склонность к образованию осадка, в первую очередь,

если из него оседают непереваренная шелуха кукурузы или зерна. Если

перемешивание происходит ненадлежащим образом, со временем могут

образоваться слои толщиной в несколько дециметров, от которых можно будет

избавиться лишь с помощью кирки.

Куриный помет от содержащихся в клетках кур содержит перья, которые

склонны к образованию плавающей корки, в то же время, помет кур содержит

вследствие особенностей кормления большое количество мела и песка, поэтому

следует учесть также выпадение осадка.

Возобновляемое сыръе – энергетические растения

С использованием растительных культур в биогазовых установках,

сельскохозяйственное производство получило совершенно новое направление: если

раньше сельское хозяйство в Германии и Европе занималось производством

продуктов питания и корма, то сейчас все большее количество площадей отдаются

под энергетические растения, используемые в биогазовых установках. Часто

выращивание энергетических растений считают

отдельной отраслью производства

и для некоторых фермеров она является главным источником дохода.

В качестве энергетических растений, пригодных для использования в

биогазовых установках, в принципе, могут выступать лишь несколько видов

выращиваемых на полях культур. В реальности в основном речь идет о тех

культурах, которые после переработки в биогазовых установках приобретают более

высокую

рыночную стоимость. В качестве энергетических растений используют

преимущественно перечисленные на Изображении 3.2. Установки, использующие

лишь возобновляемое сыръе и навоз для выработки электроэнергии, получают за

выработанную электроэнергию финансовое поощрение. Чтобы отбросить все

сомнения, что подразумевается под понятием возобновляемого сыръя как это

изложено в Законе о возобновляемых источниках энергии, на домашней