Курсова робота
Тема:«Проектування безвідходного виробництва з використанням біоконверсійнихтехнологій утилізації відходів тваринництва»
Вступ
Біотехнологія– напрямок сучасної науки і техніки, головним завданням якого є використаннябіологічних 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.
Набазі біогазових установок можна організовувати цілий комплекс по безвідходнійпереробці відходів. Продуктами виробництва біогазу є не тільки біогаз (що малопоступається по енергетичній цінності природному газу) а й збагаченаорганічними речовинами рідка фракція (що може і має стати субстратом длявиробництва мікробіальних біотехнологічних продуктів) і, звичайно, тверда фракція(шлам, що без тривалої ферментації може бути субстратом длявермикультивування). Якщо комплексно підійти до проблеми утилізації органічнихвідходів, то можна досягти цілком безвідходного виробництва отримуючи такіпродукти: електроенергія (біогаз), біогумус, білок тваринного походження(червоний каліфорнійський черв’як), біомаса водоростей (спіруліна) і іншіпродукти залежно від умов та потреб господарств.
Впровадженнябезвідходних технологій на базі біотехнології в тваринництві має багатопозитивних сторін: усувається проблема знешкодження відходів тваринництва тахарчової промисловості, збільшується білково-мінерально-вітамінна кормова база,підвищується доля поновлюваної енергетики в загальній енергетичній картиніУкраїни, є ресурс підвищення та відновлення родючості ґрунтів.
1. Огляд літератури
1.1 Біотехнологія анаеробного метанового зброджування
1.1.1 Гній як сировина для метаногенезу
Свіжийгній тваринницьких ферм і рідкі складові гною разом із стічними водами єзабруднювачами навколишнього середовища. Підвищена сприйнятливістьсільськогосподарських культур до свіжого гною приводить до забрудненняґрунтових вод і повітряного басейну, створює сприятливе середовище для зараженостіґрунту шкідливими мікроорганізмами. У гної тварин життєдіяльністьхвороботворних бактерій і яєць гельмінтів не припиняється, насіння смітнихтрав, що міститься в ньому, зберігає свої властивості.
Ефектомнакопичення великої кількості органічних відходів є негативний вплив нанавколишнє 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 спеціальнатехнологія обробки гною, що дозволяє підвищити концентрацію живильних речовин іодночасно усунути неприємні запахи, подавити патогенні мікроорганізми, понизитизміст канцерогенних речовин. Перспективним, екологічно безпечним і економічно вигіднимнапрямом рішення цієї проблеми є анаеробна переробка гною і відходів вбіогазових установках з отриманням біогазу. Завдяки високому змісту метану (до70%) біогаз може горіти. Органічна маса, що залишилася після такої природноїпереробки, є якісним знезараженим добривом. Для переробки використовуютьсядешеві відходи сільського господарства: гній великої рогатої худоби, свиней,кіз, овець, послід птаха, солома, стружка, тирса, смітна рослинність, побутовівідходи, 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 продуктівгарячим повітрям, підігрів води, вироблення електроенергії за допомогою газовихгенераторів. Після утилізації вміст живильних речовин в одержаному добривізбільшується на 15% в порівнянні із звичним гноєм. При цьому в новому добривізнищені гельмінти і хвороботворні бактерії, насіння бур’янів. Такий гнійзастосовується без традиційних витримок і зберігання. При утилізації виходитьтакож рідкий екстракт, який призначається для поливу кормових трав, овочів і т. п.Сухе добриво використовується по прямому призначенню, при цьому врожайністьлюцерни підвищується на 50%, кукурудзи на 12%, овочів на 20–30%.
З гною однієї корови можна одержати в добу до 4,2м3біогазу. Енергія, укладена в одному м3 біогазу, еквівалентна енергії0,6 м3 природного газу, 0,74 л нафти, 0,65 лдизельного палива, 0,48 л бензину і т. п. При застосуванні біогазу економлятьсятакож мазут, вугілля, електроенергія і інші енергоносії.
Технологічнісхеми і конструктивно-технологічні параметри біогазових установок залежать відоб'ємів переробки і властивостей зброджуваного матеріалу, теплового режиму,способів завантаження і збродження субстрату і ряду інших чинників. Принциповатехнологічна 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 Процесметаногенезу та оптимальні умови його перебігу
Біометаногенез – це процес перетворенняорганічних сполук біомаси на біогаз за участю метаноутворюючих анаеробнихмікроорганізмів. Коефіцієнт трансформації енергії біомаси в енергію метану прицьому процесі досягає 80%. Це давно відомий процес, відкритий ще 1776 р.Вольтом, який встановив наявність метану в болотному газі.
Процес біометаногенезу проходить за участюметаноутворюючих мікроорганізмів, яких ідентифіковано від 30 до 50 видів. Цесимбіотичне угруповання і завдяки тому, що воно може змінювати свої шляхиферментації, функціонує як саморегулююча система, яка підтримує оптимальнізначення рН, окислювально-відновний потенціал і термодинамічну рівновагу в реакторі.
Формуваннямікрофлори метантенка відбувається за рахунок мікроорганізмів, які потрапили внього разом з субстратом.
Біометаногенезвідбувається в три етапи: етап гідролізу, ацидогенезу та, власне, метаногенез.
Дляактивної діяльності метаногенів потрібно створити ряд умов. Сприятливим дляжиттєдіяльності метаноутворюючих мікроорганізмів є середовище, в якомуконцентрація сухої речовини знаходиться на рівні 8–12%, а довжина частинокбіомаси – не більше 30 мм. Оптимальним співвідношенням азоту та вуглецю є10–30: 1 (С: N). Перший і другий етапи біометаногенезу – це кисла фаза абоводнева (рН 4,0–6,5), а третя метанова фаза – лужна (рН 7,2–7,6).
Оптимальними температурами, за якихжиттєдіяльність мікроорганізмів відбувається найбільш активно, є: для психрофітів– 6–20 °С, мезофілів – 32–33 °С, а для термофілів 52–54 °С.
Тому розрізняють три температурних режимиодержання біогазу:
1) психрофільний – від 0 до 20 °С;
2) мезофільний – від 20 до 40 °С;
3)термофільний – від 40 до 60 °С.
Взброджуваній біомасі повинні бути відсутні важкі метали, антибіотики тощо.
1.1.3 Біогазі його використання
При розкладанні органічних речовин без доступу повітря(анаеробне розкладання – менаногенез) синтезується біогаз, головнимиенергетичними складовими якого є метан (CH4), вуглекислий газ, іншіскладові. У таблиці 1 вказаний склад і властивості біогазу.
Таблиця 1. Склад і властивості біогазу
Показник
Meтан
CO2
H2
H2S
Біогаз (60% CH4 і
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
Можнавизначити такі напрями використання біогазу:
– спалюванняв котельних агрегатах для нагрівання води та використання її у технологічномупроцесі або іншими споживачами;
– підготовкабіогазу та подавання його в газорозподільні мережі місцевих споживачівприродного газу;
– підготовкаі заправка біогазом газобалонних автомобілів, тракторів;
– виробленняелектроенергії.
Біогазмає усі переваги, що властиві природному газу. Він легко транспортуєтьсягазопроводами, згоряє без диму, кіптяви й залишку (попелу, шлаку).
1.1.4 Тверда фракція (шлам) і йоговикористання
Шламмістить значну кількість поживних речовин (Табл. 3.) і може використовуватисьяк цінне знешкоджене органічне добриво або кормові добавки. Він не маєспецифічного запаху.
Вшламі поживні речовини знаходяться в більш доступній для рослин формі. Прианаеробному зброджуванні зберігаються необхідні для рослин біогенні елементи(N, Р, К), а при компостуванні їх втрати складають до 40%.
Шламвикористовується як білкова і вітамінна кормова добавка.
Аналізшламу на наявність патогенної мікрофлори свідчить, що кишкові мікроорганізмигинуть при температурі зброджування 37 °С (тобто при мезофільному режимі).Шлам може використовуватися як субстрат для черв'яків без попередньоїпідготовки (ферментації), що є важливим фактором при створенні безвідходноїбіотехнології 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
1.1.5Рідка фракція і її використання
Рідкафракція відповідає вимогам, які висуваються до стічних вод. Їїсанітарно-гігієнічні показники дозволяють складати її у каналізаційну мережуабо водоймища. Але це нераціонально, тому що вона містить значну кількістьпоживних речовин і може використовуватись як рідке органічне добриво. Крімтого, вона може бути субстратом для вирощування мікроводоростей (хлорели,спіруліни), біомаса яких є цінною білковою і вітамінно-мікромінеральноюкормовою добавкою до раціонів, а спіруліна – сировиною для фармацевтичноїпромисловості.
1.2 Біотехнологія вермикультивування
1.2.1 Вермікультивування в світовомугосподарству
Розведеннядощових черв'яків «вермикультивування» – один з перспективних способівутилізації органічних відходів. Дощові черв'яки, прискорюючі у багато разіврозкладання органічної речовини, дозволяють у відносно короткі терміниабсолютно екологічно чистим способом перетворити різного роду органічні відходив цінне гумусоване добриво. Інший одержуваний продукт вермікультури – біомасадощових черв'яків, успішно використовується як білкова добавка до корму і якбіохімічна сировина.
Вермікультурашироко поширена в Західній Європі, деяких країнах Східної Європи (Угорщина,Польща), США, Японія, країнах Південно-східної Азії. Там працює досить багатодрібних і середніх підприємств, що виробляють дощових черв'яків длялюбительського рибальства і на корм домашнім тваринам, садову землю абоорганічне добриво «вермікомпост».
Доведена висока ефективність вермікультури для переробки відходівтваринництва, овочівництва і інших галузей сільського господарства і, частково,деревообробної промисловості.
Деякі міські відходи, наприклад овочеві відходи з складів і змагазинів, харчові відходи є прекрасним субстратом для культивування черв'яків.З листя, що згрібається на газонах, можна було б одержати органічне добриво дляквітникарських господарств.
У США, Канаді, Японії, Франції і у ряді інших країн працюютьпідприємства, що фінансуються державою або муніципальними органами, якіутилізують за допомогою дощових черв'яків мули стічних міських вод і органічніпобутові відходи. У США були проведені успішні експерименти по стабілізації задопомогою дощових черв'яків мулів стічних вод. Дослідження показало, щопереробка рідкого мулу черв'яками здатна замінити технології висушування іферментації мулу, що традиційно використовуються, причому процес економічновигідний.
Широкомасштабні досліди по вермікомпостуванню (переробці задопомогою дощових черв'яків) міських відходів були закладені в Лафкіне (Техас)з рідкими мулами з міських стічних вод; у Кейсвіллі (Меріленд) із зневодненимимулами; у Огдені (Юта) з твердими міськими відходами. Однією з основнихпроблем, з якою стикалися ці підприємства, є висока вартість ручної праці,оскільки процес маломеханізований.
До 2/3 загальних витрат на вермікомпостування йшло напридбання початкової популяції черв'яків. Проте, вартість переробки однієїтонни сухої речовини мулу за допомогою черв'яків (105–230 $) виявилисядешевшою порівняно з вартістю його традиційної обробки на полях зрошування абоза допомогою обезводнення і компостування (150–250 $ на тонну сухоїречовини). Устаткування, обслуговуюче 10–15 тисяч черв'яків (одна тонна сухогомулу в день) вимагає 2300 квадратних метрів робочої площі.
У Канаді (Торонто) працює підприємство, що переробляє задопомогою вермікультури стічні мули в суміші з овочевими і фруктовимивідходами. Одержуваний продукт – «квіткова земля» має собівартість в 10 центівза кілограм, причому більше половини складають витрати на упаковку. Процес немеханізований, 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, заселенідощовими черв'яками.
У Франції на водостічних спорудах в Тулуз-Жінесто задопомогою вермікультури вдалося понизити на одну третину витрати на очищеннястічних вод. Є зведення про використовування вермікультури для переробкиміських відходів і стоків в Італії, Данії, ФРН, Угорщині і інших європейськихкраїнах.
Широко також поширене в світі (від Фінляндії до Австралії)дрібномасштабне культивування черв'яків в невеликих контейнерах. Черв'якиуспішно переробляють кухонні відходи і частину органічних побутових відходів.
1.2.2 Технологія вермікультивування
Черв'яківможна вирощувати просто неба і в закритих приміщеннях. Усі розрахунки,пов'язані вермікультивуванням виконуються з розрахунку на одне ложем. Ложе – цеодиниця виміру, якою користувалися американські дослідники, ділянка площею 2 м2.
Щільністьзаселення 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 нарік. Одне ложе дає щорічно 4–6 ц біогумусу і близько 30–100 кг біомасичерв'яка.
Внаших умовах вермикультивування просто неба сезонне – з квітня по жовтень.
Ложакраще всього влаштовувати на ділянках з певним нахилом для забезпеченнянормального стоку води під час дощів і запобігання утворенню калюж. Бажано, щобпідстилаючий ґрунт був піщаним або кам'янистим. Дощові черв'яки дуже боятьсявітру. Для захисту від шкідників ложа потрібно влаштовувати на металевих сіткахіз загнутими краями.
Вітчизнянідослідники рекомендують робити ложа шириною 2 м, довжиною 50 м звідстанню між ними, яка забезпечить проїзд техніки.
Взакритих приміщеннях черв'яків можна культивувати цілорічно з влаштуванням ложна бетонній підлозі або на стелажах ящиках, які розміщуються ярусами. Взакритих приміщеннях вихід річний продукції більший вдвічі ніж при сезонномукультивуванню.
Кормомдля черв'яків і повинен містить достатню кількість целюлози (20–25%), матиоптимальну вологість (70–80%), температуру (19–20 °С) і кислотність (6,8–7,2).Шлам після анаеробного зброджування є найкращим субстратом для черв’яків.
Післязакладки базовий субстрат безперервно зволожують 1 раз на день протягом 4-хднів, а потім щотижнево протягом 30 діб.
Одночасноз поливом в ложах вимірюється температура і кислотність. Оптимальною єтемпература 19–20 °С, а рН – 6,8–7,2. Підвищену кислотність корегуютьшляхом внесення гашеного вапна або крейди (300 г./м2).
Через30 днів після закладки базового корму ложа заселяють черв'яками. Але перед цимзнову потрібно виміряти усі показники та визначити пробу 50-ти черв'яків
Ложазаселяються черв'яками разом з компостом, в якому вони знаходилися. їхрівномірно розподіляють по поверхні ложа Заселення проводиться у денні години,тому що черв'яки бояться світла і швидко занурюються в субстрат. Після цьогоповерхня ложа зволожується і покривається соломою або мішковиною.
Післяформування лож і закладки в них маточного поголів'я необхідно регулярноконтролювати фізико-хімічні показники корму і слідкувати за станом популяціїчерв'яків.
Новупорцію корму рекомендується вносити тільки через 25–35 днів. Після цьогочерв'яків підгодовують регулярно навесні, влітку і восени через – 7–10 діб, авзимку – 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
Припереробці 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.
Біомасачерв'яків містить 17–23% сухої речовини і в сухій речовині: протеїну 60–80%,вуглеводів – 17, ліпідів – 6–9, мінеральних солей – 15, азотистих екстрактивнихречовин – 7–16%, багато ферментів, вітамінів, мікроелементів, а також майже всіамінокислоти, в тому числі лізин та метіонін.
Білокчерв'ячної біомаси має амінокислотний склад, аналогічний м’ясо-кістковому тарибному борошну, що дозволяє використовувати його як джерело повноцінного білкадля збалансування раціонів сільськогосподарських тварин та у харчуванні людей.
Нормаспоживання повноцінного білка повинна становити 10% від загальної йогокількості 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 дораціонів великої рогатої худоби, свиней, птиці, ставкової та акваріумної рибияк у сирому, так і вареному вигляді, а також у вигляді борошна в кількостях.
Біомасачерв’яків може використовуватись в їжу людям.
1.2.4 Використання біогумусу
Убіогумусі акумульована велика кількість макро- і мікроелементів, є ростовіречовини, вітаміни, антибіотики, амінокислоти і корисна мікрофлора. Вінгідрофільний, має високу водостійкість, вологоємність, механічну міцність,відсутнє насіння бур'янів. Біогумус може утримувати до 70% води і в 15–20 разівефективніший за будь-яке органічне добриво.
Перевагибіогумусу 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 спостерігаєтьсявпродовж 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-якихґрунтах. Використовується як самостійний ґрунт.
· Не містить патогенної мікрофлори і яєць гельмінтів.
· Не містить солей важких металів.
Оптимальнимидозами є 3–3,5 т чистого біогумусу або 4–5 т неочищеного (із залишкамисубстрату) 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
Спірулінає мікроскопічною, синьо-зеленою авто-гетеротрофною мікроводоростю, якакультивується в лужному середовищі.
Біологічна маса спіруліни вилучається з живильного рідкогосередовища осадженням, згущується і висушується у вигляді порошку, якиймістить:
· 60–70% засвоюваного протеїну (білка);
· 1,5–12% ліпідів знезамінними 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, неміститься ні в якому іншому відомому харчовому продукті.
Біомаса спіруліни застосовується як харчовий продукт, а такожлікарський препарат як високоефективний засіб від 80% хвороб.
Засвоюваністьпротеїну, жирів і вуглеводів спіруліни організмом людини і тварин перевершує 95%,що не зустрічається ні в одному іншому рослинному або тваринному харчовомупродукті. Цим і обумовлена її висока цінність.
1.3.2 Живильне середовище для вирощуванняспіруліни
Спіруліна– вибаглива фототрофна ціанобактерія і для свого росту вимагає збалансованогоживильного середовища, до складу якого мають обов'язково входити такі біогенніелементи, як вуглець, азот, фосфор, сірка, магній, натрій, калій, залізо. Особливезначення має концентрація азоту в середовищі.
Вуглець.На відміну від наземних рослин, яким доступна лише атмосферна сполука СО2,водорості можуть вуглецеву кислоту та її іони.
Порядз вуглецем для синтезу органічної речовини водорості використовують водень,кисень, фосфор та азот.
Азот.Спіруліна може асимілювати азот за рахунок його трьох форм: газоподібний, увигляді неорганічних сполук та азот біополімерів. Здатність фіксуватигазоподібний азот виявлено лише у прокаріот, до яких належить і спіруліна. Змінеральних сполук використовуються іони нітрату, нітриту і амонію.
Фосфорнеобхідний клітинам спіруліни для синтезу нуклеїнових кислот, фосфоліпідів іскладних ефірів фосфорної кислоти. Єдиним природним джерелом неорганічногофосфору для спіруліни є ортофосфати. Синьо-зелені водорості здатні накопичуватинадлишок фосфору у вигляді гранул. Оптимумом є співвідношення C:N:P як106:16:1.
1.3.3 Використання біомаси спіруліни
Біомасаспіруліни застосовується у годівлі тварин як домішка до раціонів птиці, свинейта риб. Позитивний вплив на м'ясну і яєчну продуктивність курей відміченокитайськими дослідниками при введенні сухої біомаси спіруліни в дозі 5% відмаси раціону.
Введенняспіруліни в раціон курей забезпечувало більш інтенсивне забарвлення яєчногожовтка пігментами спіруліни, що дозволило уникнути використання дорогих хімічносинтезованих сполук.
Спостереженняпоказали, що при згодовуванні поросятам спіруліни повністю вдалося запобігтивиникненню шлунково-кишкових захворювань, стимулювалось прискорення активаціїферментативних процесів у шлунку і кишечнику, збуджувався апетит поросят допоїдання кормів, в першу чергу рослинних. Як наслідок, краще збереженняпоголів'я молодняку на 10–14%. Згодовування пасти спіруліни супоросним тапідсисним свиноматкам у дозі від 2 до 20 г. на голову на добу сприяє підвищенню їх резистентності та стійкості до стресів.
Одниміз напрямів використання біомаси спіруліни є застосування її в аквакультурі:каротиноїди та фікоціаніни впливають на яскравість забарвлення лосося, фореліта ракоподібних, підвищуючи насиченість забарвлення спини та боків. Жирнікислоти з довгим ланцюгом позитивно впливають на продуктивність риби.
Спірулінимає ряд переваг над іншими кормами рослинного походження: це вміст білка всухій речовині, амінокислотний склад білка, концентрація ненасичених жирнихкислот у складі ліпідів біомаси та вітамінний склад.
Спірулінавикористовується також у гуманній медицині як профілактичний та лікувальнийзасіб.
2. Власні дослідження
Добовийвихід біомаси гною з використанням підстилки.
Qг доб=(МеJ+BJ+MпJ) nJ , 1000
Qгдоб – добовий вихід гною, т;
МеJ– добова маса екскрементів від однієї голови, кг;
BJ –добова кількість води, яка потрапляє в систему гноєвидалення, кг;
nJ –поголів’я тварин на фермі, гол;
MпJ– добова кількість підстилки на 1 гол., кг.
Добовакількість води, яка потрапляє в систему гноєвидалення.
BJ=КМеJ,
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
Річнийвихід гнойової біомаси з використанням підстилки.
Qгрічний= Qг доб·t,
Qгрічний – річний вихід гною, т;
t –кількість днів у році (365).
Qгрічний(свм)=1,48·365=540,20 (т);
Qгрічний(відг)=7,56·365=2760,31 (т);
Qгрічний(заг)= 540,20+2760,31=3300,51 (т);
Qгдоб(заг)=3300,51/365=9,04 (т)
Вологістьпідстилкового гною
Wг=WE – [0,01·Pп·(WE-Wп)+0,01·Рв·(100-WE)],
Wг– відносна вологість гною, %;
WE – відноснавологість екскрементів (87%);
Wп– вологість підстилки (солома) – 19,6%;
Pпі Рв – співвідношення у гнойовій біомасі підстилки і води (%).
Pп =
MпJ ·100
МеJ+ BJ+MпJ
Рв= BJ·100
МеJ+ BJ+MпJ /> /> /> /> />
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 /> /> /> /> />
Вологістьгнойової 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 (%).
Вологістьгною, який надходить від різних виробничих груп:
Wг = 81,05+80,86
=80,46 (%) 2
Вмістсухої 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 /> /> /> /> />
Вмісторганічної 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).
Добовапродуктивність реактора, або його пропускна спроможність відносно вихідногогною
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
Добовийобсяг завантаження метантенка (м3)
Qдоб =
W2г·Qг доб ,
W1г·qг
W1г– відносна вологість гною, який надходить з ферми, %;
W2г– 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’ємбродильної 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
Обсяггазогенерації 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
Заорганічною 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 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Вихідтвердої 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
Добовийвихід шламу: Мш. доб. =851,75/365=2,33 (т).
Вихідрідкої фракції:
Мq. річн. =
Qг річн.
Wг·Wш т.
Wq·Wг
Мq. річн. = 3300,51 91 · 68
=2448,77 (т). 99 · 68 /> /> /> /> /> /> />
Добовийвихід рідкої фракції: Мq. доб. =2448,77/365=6,71 (т).
Визначеннякількості субстрату для вермикультивування та його підготовка.
Визначеннякількості 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
Визначеннямаси субстрату разом з природними мінералами:
Qсм=Мм+Мш.
Qсм=851,75+34,07=885,82 (т).
Визначеннякількості 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
Визначеннякількості базового субстрату для закладки перших лож:
n –коефіцієнт, який враховує кратність розділення одного ложа (3).
Бс = 265,74 =88,58 (т). 3
Розрахуноккількості 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 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Розрахуноккількості 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).
Кількістьчерв’яків для заселення усіх лож:
Кч=Кл·Нз,
Нз– норма заселення одного ложе черв’яками (15 тис).
Кч=782·15000=11730000(шт.).
Визначеннянаявної кількості живильного середовища:
Qж.с.за рік=Мq. річн·1000=2448,77·1000=2448770,0 (л).
Визначенняплощі 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
Визначеннярічної потреби в маточній культурі спіруліни (при нормі заселення 0,37 г./л):
Мкза рік= 2448770·0,37=906043,9 (г).
Визначеннявиходу товарного біогазу.
Розрахуємомаксимальну кількість теплової енергії, необхідної для підігріву біомаси прироботі БГУ в мезофільному режимі:
εбгутепл. період=С· (Qг.доб·245)·Δt, МДж,
εбгухол. період=С· (Qг.доб·120)·Δt, МДж,
εбгуза рік= εбгу тепл. період + εбгу хол. період,МДж.
Δt– різниця температури зброджування і температури вихідного гною (притемпературі зброджування 40˚С Δt взимку=30˚С, влітку=20˚С);
С –питома теплоємність рідкого гною (419 КДж/кг·град).
εбгутепл. період=4,19· (9,04·245)·20=185651,57 (МДж),
εбгухол. період=4,19· (9,04·120)·30=136397,07 (МДж),
εбгуза рік= 185651,57+136397,07=322048,64 (МДж).
Визначеннякількості біогазу для підігріву біомаси:
Qбгу=
εбгу за рік , q
q – теплотворназдатність біогазу (22 МДж /м3).
Qбгу= 322048,64 =14638,57
(м3) 22
Часткубіогазу необхідна для підігріву біомаси:
ηн=
Qбгу = 14638,57 =0,11
Vг річ 137828,60
Максимальнотеоретичний коефіцієнт виходу товарного біогазу:
Ктб=1-ηн=1–0,11=0,89
Визначеннявиходу товарного біогазу:
Vтг=Vг річ· Ктб=137828,60·0,89=123190,03 (м3).
Добовийвихід товарного біогазу:
Vтгдоб.= Vг доб· Ктб=377,61·0,93=337,51 (м3).
Вихідтоварного біогазу на 1 голову:
надобу 337,51 /(200+1210)=0,24 (м3);
зарік 123190,03 /(200+1210)=87,37 (м3).
Вихідтоварного біогазу на 1 кг сухої речовини:
337,51/1770=0,19(м3); 123190,03/645040=0,19 (м3).
Вихідтоварного біогазу на 1 кг органічної речовини:
337,51/1410=0,24(м3); 123190,03/516030=0,24 (м3).
Вихідтоварного біогазу на 1 кг гнойової біомаси:
337,51/9040=0,04(м3); 123190,03/3300510=0,04 (м3).
Вихідтоварного біогазу на 1 м3 корисного об’єму реактора:
надобу 337,51 /170,5=1,98 (м3);
зарік 123190,03 /170,5=722,70 (м3).
Замінабіогазом традиційних носіїв енергії
Заміна енергоносіїв біогазом отриманим за рік
Теплота,МДж;… 123190,03∙22=2710180,76
Електроенергіяквт/год;… 123190,03∙2=234061,07
Природнийгаз, м3;… 123190,03∙0,65=80073,52
Нафта,л;… 123190,03∙0,7=86233,02
Дизельнепальне, 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’яневугілля, кг;… 123190,03∙1,5=184785,05
Замінаенергоносіїв біогазом отриманим за добу
Теплота,МДж;… 337,51∙22=7425,15
Електроенергіяквт/год;… 337,51∙2=641,26
Природнийгаз, м3;… 337,51∙0,65=219,38
Нафта,л;… 337,51∙0,7=236,25
Дизельнепальне, 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’яневугілля, кг;… 337,51∙1,5=506,26
Визначеннякількості 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
Кількістьчерв’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
Визначеннявиходу 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).
Визначеннявиходу 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
Визначенняпоголів’я свиней, яким можна згодовувати черв’ячну біомасу при нормізгодовування 9 кг/гол. на рік
45020,24/9 =5002 (гол.)
Розрахунокрічного 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
Визначеннявиходу 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
Безвідходнабіотехнологія на базі метанового анаеробного зброджування з залученнямтехнологій вермикультивування та вирощування мікроводоростей надає змоги повноюмірою вирішити питання ефективного використання та знешкодженя гнойової біомасита відходів рослинництва. Окрім цього ми отримуємо низку високорентабельнихбіотехнологічних продуктів, а саме: біогаз – високоцінний енергоносій, червячнута водоростеву біомасу – прекрасний високопоживний та біологічно повноціннийкорм, біогумус – біодобриво, цінність якого неможливо переоцінити та очищенузбагачену киснем воду.
Навітьза умови найменшого теоретичного виходу біогазу дане господарство матиме змогущорічно отримувати еквівалент 80000 м3 природного газу або жпонад 230000 кВт електроенергії. А біомаси черв’яків культивованої на шламі відметанового анаеробного зброджування вистачить аби забезпечити потреби вбілкових кормах понад трьох таких господарств як дане. А є ще також біомасаспіруліни!
Отжеданому господарству я рекомендую змонтувати БГУ з об’ємом реактора 170–200 м3.Обладнати вирівняну затишну площадку для вермикультури та зимівник дляматочного поголів’я черв’яків. Виготовити лотки для культивування спіруліни, ідля інтенсифікації процесу при можливості обладнати тепличні приміщення.
Використанняданих технологій матиме позитивний економічний ефект, що можливо станепоштовхом для збільшення поголів’я тварин. В цьому випадку я б рекомендував непоспішати купувати другу БГУ, а при можливості перевести першу в термофільнийрежим роботи, що може майже на половину збільшити пропускну спроможність реактораз незначним падінням коефіцієнту виходу товарного біогазу.