Вред от отходов сельского хозяйства
В результате нарушения существующих требований к системе обращения с отходами животноводства происходит загрязнение почв, которое может повлечь за собой ухудшение состояния сопредельных сред и негативно отразиться на здоровье человека и животных. Подобная ситуация во многом обусловлена отсутствием должного контроля за системой утилизации отходов на свиноводческих предприятиях промышленного типа. Для снижения остроты проблемы следует разработать четкую инструктивно-методическую базу (или внести изменения в уже существующую), регламентирующую процедуру определения площадей, необходимых для безопасной утилизации органических отходов на стадии проектирования, а также осуществлять жесткий контроль (Самоделкин А. Г., 2013). Большие объемы навоза служат резерваторами гельминтов, мух и болезнетворных микроорганизмов. Высокая концентрация в производственных помещениях вредных газов (сероводорода, аммиака и метана), образующихся в процессе разложения продуктов жизнедеятельности, отрицательно влияет на развитие животных, снижает уровень прироста, увеличивает падеж. К тому же, неприятные запахи, идущие из загонов для скота и распространяющиеся на сотни метров, снижают комфортность проживания населения, а также могут вызывать различные нарушения здоровья людей (Марцев А. А., 2017).
Компостирование
Из продуктов жизнедеятельности можно получить сложный компост. Его можно представить как открытую термодинамическую систему, получающую тепло и энергию из внешней среды (Солнце) и внутренних ресурсов (разложение органического вещества, углеводородов, белков, жиров, ферментов и др.), стимулируя их упорядочивание и совмещение.
|
|
|
Сложный компост, включающий в первую очередь различные по физическому и химическому составу отходы различных производств и быта, представляет собой неоднородный физико-химический компонент, вносимый в верхний слой почвы. Разнообразие сложных компостов связано с их компоновкой из различных отходов, их соотношением, а также сложностью строения, используемого каждым производством сырья. Сложный компост можно рассматривать как будущее комплексное удобрение, дублирующее его состав и свойства – абиотические (гранулометрический и валовый состав, оводненность, агрегирование, воздушный режим, содержание питательных веществ) и биотические (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, микро– и мезофауну).
Структура сложного компоста зависит от количества ионов кальция и магния и делится на мелкозернистую (минеральные коллоиды разбросаны и не связаны друг с другом) и комковатую (коллоиды соединены в сравнительно стойкие агрегаты). Комковатый компост лучше пропускает влагу и хорошо обеспечен кислородом. Состав и структуру сложного компоста определяет видовой и популяционный состав живых организмов – бактерий, актиномицетов, одноклеточных водорослей, а также многочисленных представителей микро– и мезофауны. Кальций, поступающий в сложный компост в основном с твердыми и жидкими минеральными отходами, усиливает водопотребление нового образования, определяет прочность структурных агрегатов, образуемых в основном дисперсными и коллоидными минеральными системами, обезвреживает токсичное действие многих солей тяжелых металлов. Его источником в компосте может быть фосфогипс, доломит, мел, известковая мука и другие природные минералы, а также остатки соединений органических образований – зола древесных пород, кукурузы, отходов лузги подсолнечника и т.д. В общепринятом понимании отдельные отходы промышленных производств (фосфогипс, известняковая мука зола и др.) не являются коллоидными системами, но они содержат массу сверхтонких частиц сульфата кальция, кремнефторидов натрия и калия, фосфатов полуторных окислов, соединений серы, различных агрегатов, адсорбированных на поверхностях их частиц и проявляющих коагуляционные свойства при перемешивании с почвой и различными органическими отходами сельского хозяйства, формируя комплексные органоминеральные соединения, которые представляют собой искусственную смесь органических, минеральных и органоминеральных выбросов сельскохозяйственного, промышленного, бытового и природного происхождения, формирующие впоследствии сложный компост.
|
|
|
|
|
|
Водоудерживающая способность компоста зависит от соединения в нем коллоидов - минеральных, органических и органоминеральных, имеющих огромную суммарную поверхность (на 1 см 3 их коллоидных структур приходится до 1 га общей суммарной поверхности), что объясняет их большую способность к физической адсорбции – поглощению и удержанию на поверхности воды и растворенных в ней питательных веществ.
Способность минеральных отходов сохранять высокую стабильность при их введении в сложный компост в дисперсном варианте, медленно трансформируясь в органоминеральные соединения, являются важным и весьма ценным в практическом отношении свойством по поддержание благоприятных для живых организмов физических, химических и биологических характеристик субстрата.
|
|
|
Минеральные отходы содержат в разных соотношениях оксиды, составляющие основу земной коры (CaO, Fe2O3, FeO, MgO, TiO2, MnO2, Cr2O3, CuO, SiO2, BaO2), запасы которых в настоящее время в почвах сократились в связи с выносом их с урожаем, выветриванием и выщелачиванием.
Производство компоста - не только способ утилизации органических отходов, но и отличная возможность улучшить плодородие почв, состояние которых ухудшается с невероятной скоростью. Внесение сложного компоста сильнее отражается, по нашим данным, на урожае корнеплодов и меньше - зерновых. Например, при внесении под свёклу разница в прибавке урожая составила до 60 ц/га, а у озимой пшеницы – только 6-7 и реже до 12 ц/га (Белюченко И. С., 2014).
Российские ученые активно изучают возможности переработки отходов животного происхождения домовой мухой (Musca Domestica), личинки которой, выращенные на органических отходах, обладают непревзойденной энергией роста (их масса увеличивается в течение недели в 300-500 раз). Подсчитано, что биомасса от пары мух и их потомства при полной реализации генетического потенциала в течение года превысит 87 т. Зоогумус, полученный после переработки экскрементов личинками мух, - высокоэффективное органическое удобрение. Он не содержит патогенных болезнетворных микроорганизмов, жизнеспособных яиц гельминтов, личинок мух, цист, кишечных патогенных простейших (Марцев А. А., 2017).
В настоящее время для обезвреживания органических объектов используют инструментальные средства, основанные на различных модификациях термического метода обработки объектов. Среди них:
§ высокотемпературное сжигание, применение которого загрязняет окружающую среду (инсинераторы ИН-50, Россия);
§ комбинированные установки, использующие термическое и химическое воздействия для обезвреживания («Стеримед», Италия);
§ автоклавные установки, использующие термическое воздействие под давлением 2-3 бара («Стерифлеш», Франция).
Данные устройства обладают низкой производительностью и высокой удельной энергоемкостью.
В изученном нами исследовании было найдено решение, у которого отсутствуют вышеперечисленные негативные последствия. Задачей, на решение которой направлено описанное техническое решение, является безреагентное обезвреживание жидких и твердых фракций органических отходов в установке с минимальными габаритами (см. рис. 3), при малых затратах энергетических и материальных ресурсов с максимальной степенью обезвреживания и максимальной производительностью.
Рисунок 3. Схема установки для обезвреживания твердой и жидкой фракции органических отходов
Устройство безреагентного обезвреживания отходов содержит блок загрузки 1, в который помещаются предназначенные для обезвреживания органические отходы, блок подачи 2 в виде шнекового транспортера, с помощью которого обезвреживаемые отходы подаются в блок измельчения 3, куда поступает вода, перекачиваемая насосом 10, реактор 5, действие которого основано на методе акустической кавитации, в котором находящиеся в жидкой среде обезвреживаемые отходы подвергаются интенсивному ультразвуковому облучению, при котором происходит трансформация относительно низкой плотности энергии звукового поля в высокую плотность энергии микропузырьков, возникающих при кавитации, что приводит к разрушению микробных клеток - разжижению протоплазмы, увеличению их размеров и разрыву клеточных мембран. Обезвреженная таким образом в реакторе жидкодисперсная смесь подается в пресс 7, где разделяется на жидкую и твердую фракции. Твердая фракция поступает в приемную емкость 15, а жидкая - насосом 8 возвращается в питающую емкость 9 для повторного использования.
Измельченные отходы на входе в реактор 5 в определенной пропорции смешиваются с водой управляемым двухвходовым клапаном-смесителем 4 и полностью его заполняют, что контролируется датчиком уровня жидкости 12.
Между выходом реактора 5 и входом управляемого пресса 7 установлен управляемый клапан 6, предназначенный для регулирования наполнения камеры реактора 5 обеззараживаемыми отходами и слива обеззараженных отходов после их обработки в пресс 7, в котором они разделяются на жидкую и твердую фракции. Твердая фракция обеззараженных отходов из пресса 7 поступает в приемную емкость 15, а жидкая - управляемым насосом 8 перекачивается для вторичного использования в питательную емкость 9.
Автоматическое управление процессом обеззараживания отходов осуществляется через шину управления, связанную с одним из входов блока управления 16, второй вход которого через информационную шину и соответствующие датчики связан с блоком измельчения 3 (датчик 11, обеспечивающий показание уровня измельченных отходов в блоке измельчения 3), реактором 5 (датчик 12, обеспечивающий показание уровня жидкодисперсной смеси в реакторе 5), прессом 7 (датчик 13, обеспечивающий показание уровня обеззараженных отходов в прессе 7), питающей емкостью 9(датчик 14, обеспечивающий показание уровня воды в питающей емкости 9) (Лещинский В. И., 2009).
Биогаз
Каждый отход характеризуется своими физико-химическими показателями: влажностью, содержанием сухого вещества, содержанием органического сухого вещества, содержанием белков, содержанием углеводов, содержанием жиров, рН. Именно от этих показателей зависит время его сбраживания, количество получаемого биогаза и его состав. Если взять за основу статистику по содержанию сельскохозяйственных животных в России, то окажется, что содержание крупного рогатого скота, свиней и птицы обладает огромным потенциалом для энергетического использования на биогазовых установках (табл. 2, рис. 4) (Темников Д. О., 2015).
Таблица 2. Выход биогаза в целом и метана из хозяйственных удобрений (Темников Д. О., 2015)
Рисунок 4. Выход биогаза из различных видов субстратов:
1- твёрдый навоз КРС; 2- жидкий навоз КРС; 3- солома; 4- содержание желудка свиней; 5- куриный помёт; 6- жидкий свиной навоз; 7- листья; 8- содержание желудка жвачных; 9- ботва свёклы; 10- бытовые отходы; 11‑ кукурузный силос; 12- травяной силос; 13- пивная барда; 14- жир (Темников Д. О., 2015).
Процесс получения биогаза известен и используется уже много лет, но после роста цен на энергию в 1970-х годах этот процесс заполучил особое внимание в связи с желанием найти альтернативные источники энергии для снижения зависимости от ископаемого топлива. Хотя цены на ископаемое топливо снизились в 1985 году, однако интерес к биогазовому процессу сохраняется из-за экологических преимуществ анаэробной утилизации отходов (Panagiotis G. Kougias, 2018). Наглядно растущий интерес к биогазу представлен на рис. 5.
Рисунок 5. Ежегодное количество научных статей, индексируемых в базах данных “Scopus” и “Web of Science” на основе ключевого слова “биогаз”. Уменьшение количества “Web of Science” за 2017 год объясняется временем, необходимым для обновления базы данных. (Panagiotis G. Kougias, 2018)
Как известно, биогаз – это смесь газов: 55-70 % метана СН4, 28-43 % углекислого газа СО2, а также в очень малых количествах других газов (например – сероводорода H2S). В среднем 1 кг органического вещества, биологически разложимого на 70 %, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка. Скорость образования биогаза является функцией таких показателей, как влажность, кислотность и температура субстрата. Для переработки легкоразлагаемых отходов оптимальная влажность находится в диапазоне от 60 до 85 %. Выделяют два наиболее оптимальных температурных режима для процесса биоконверсии. Первый интервал – мезофильный (так как работают мезофильные бактерии) от 25-38֯ С (оптимальная температура 37֯ С). Второй интервал – термофильный (так как работают термофильные бактерии) от 45‑60֯ С (оптимальная температура 56֯ С). В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий. (Смирнов Ю. Д., 2013).
Биоэнергетика-наиболее перспективный вид возобновляемой энергии в России, обладающий огромным потенциалом для использования отходов сельского хозяйства, деревообработки, пищевой промышленности и городских очистных сооружений. В свою очередь, наиболее привлекательным сегментом биоэнергетики для инвесторов является производство биогаза, которое может обеспечить дополнительные источники дохода от продажи органических удобрений и сборов за безопасную утилизацию органических отходов. Основное преимущество биогазовой энергетики в России по сравнению с другими видами редких и традиционных энергоносителей является доступность сырья для эксплуатации завода, соответственно, полное отсутствие затрат на топливо в структуре операционных расходов, так как в 95% случаев отходы поступают владельцу завода бесплатно. Применение комплексного подхода к проектам с обязательным решением как энергетических, так и экологических проблем обеспечит беспрецедентный рост биогазовой промышленности в ближайшие годы. Благодаря биогазу достигается технологическая гибкость: его использование позволяет получать одновременно несколько видов энергоресурсов – газ, моторное топливо, тепло и электроэнергию. Наиболее заметным недостатком биогазовой энергетики являются большие капитальные затраты на единицу мощности, а также относительно узкий коридор рентабельности проекта. Вторым ключевым недостатком является узкий спектр экономически эффективных проектов. Наконец, третья проблема-необходимость гарантированных продаж произведенной электроэнергии. С точки зрения наличия отходов экономически обоснованные биогазовые проекты могут быть реализованы на:
• свинофермах с поголовьем от 70 000;
• комплексах крупного рогатого скота с поголовьем от 8 000;
• птицефабриках с «населением» от 1 млн;
• мясоперерабатывающих предприятиях с отходами скотобойни от 80 т в сутки;
• ликероводочных заводах с отходами от 130 т в сутки;
• сахарных заводах с отходами от 220 т в сутки;
• пивоваренных заводах с отходами от 150 т в сутки;
• городских водоканалах, обслуживающих от 300 000 человек, с отходами от 150 т осадка сточных вод в день;
С точки зрения гарантий бесперебойной реализации произведенной электроэнергии наибольшие перспективы имеют проекты, реализуемые на городских водоканалах, а также предприятиях пищевой промышленности.
Для оценки целесообразности инвестиций в переработку биогаза в электроэнергию были разработаны инструменты принятия инвестиционных решений (IDT). Основные функции IDT:
1. IDT использует существующие данные о различных видах сырья из биомассы, начиная от органических отходов и заканчивая промышленными побочными продуктами и энергетическими культурами. IDT способен учитывать характеристики (наиболее важными из которых являются общее количество и летучие твердые вещества и потенциальная эволюция СН4) широкой смеси таких органических отходов, подлежащих кодификации на биогазовых установках на основе анаэробного сбраживания.
2. На основе входных данных IDT получает допущения и оценки производительности процесса в качестве первого результата, балансы массы и энергии для различных потоков исследуемой биогазовой установки.
Кроме того, IDT рассчитывает выработку электроэнергии, фракцию волокон и выход жидких удобрений, выполняя стандартные расчеты.
3. Принимая во внимание: рыночные цены на конечную продукцию (электроэнергию, тепло и компост) и дополнительные доходы, плату за вход для ряда органических отходов (таких как продукты промышленной деятельности), затраты, связанные с приобретением потоков биомассы (энергетических культур), общую инвестиционную стоимость (капитальные затраты) (Sotirios Karellas, 2009).
Экологические преимущества производства и утилизации биогаза имеют как глобальный, так и локальный характер. К глобальным преимуществам относится:
- сокращение потребления ископаемых видов топлива и тем самым продление срока их исчерпания;
- получение практически неиссякаемого источника энергии, так как биомасса (включая биоорганические отходы) постоянно возобновляется;
- отсутствие пополнения парниковых газов в атмосфере и тем самым защита климата.
Если мы используем в качестве органической субстанции навоз, то мы вообще прекращаем эмиссию метана и закиси азота, которая является обязательным спутником хранения навоза на открытой поверхности. Кроме того, использование навоза для производства биогаза уменьшает выбросы углекислого газа, во-первых, из-за того, что большое количество углерода переходит в метан, и, во-вторых, благодаря замене ископаемых видов топлива. При перевозках переход транспортных средств с бензина и дизельного топлива на биогаз из навоза снижает выбросы СО2 на 180 % на автомобиль и дает экологический эффект от сокращения выбросов других загрязняющих веществ в густонаселенных регионах даже выше, чем при использовании биогаза для выработки электроэнергии. Для конкретных территорий основными экологическими преимуществами использования биогазовых технологий являются:
· уменьшение количества отходов и объемов их накопления и, соответственно, загрязнения окружающей среды;
· уменьшение местного загрязнения воздуха благодаря меньшему количеству вредных выбросов по сравнению с ископаемым топливом;
· экологическая безопасность местности, расположенной в непосредственной близости от предприятий агропромышленного комплекса (АПК);
· сокращение содержания органических веществ в отходах и сточных водах;
· экологическая замкнутость производства;
· сокращение территорий, отводимых под хранение и захоронение отходов, а в сельской местности – более рациональное использование сельскохозяйственных угодий
· повышение плодородия почвы или восстановление нарушенных земель за счет использования переброженного осадка.
К прямым экономическим выгодам анаэробного сбраживания органических отходов для непосредственных производителей относится:
o сокращение расходов на приобретение энергии, энергоносителей, удобрений, гербицидов и управление отходами
o сокращения платежей за загрязнение окружающей среды;
o извлечение дохода от продажи излишков продукции БГУ (биогаза, энергии, пара, удобрений);
o получение дополнительной прибыли от утилизации чужих отходов.
o быстрая окупаемость установки;
o сокращение расходов хозяйства на очистку и утилизацию отходов;
o снижение себестоимости иной выпускаемой продукции;
o повышение урожайности сельскохозяйственных культур за счет применения биоудобрений;
o эффективное использование территорий
Минусами биогазовой технологии для хозяйства являются достаточно высокие капитальные, но единовременные вложения.
Несмотря на приведенные выше экологические и экономические преимущества биогазовых технологий, для страны в целом получение энергии таким способом экономически незначительно и даже требует определенных затрат. Но у данной проблемы есть еще социальный аспект, связанный с интересами населения. При производстве биогаза и его дальнейшем использовании удовлетворяется не просто растущий спрос населения на дополнительные источники энергии, но иногда и сама потребность в отсутствующих на определенных территориях топливе и энергии. Биогазовые технологии способны улучшить благополучие и качество жизни людей в отдаленных районах, сельской местности, а это более 10 млн человек, благодаря местному бесперебойному, дешевому электро-, тепло- и водоснабжению, использованию газа, например, вместо дров, для домашних целей. Это позволит экономить время на ведение хозяйства, население сможет пользоваться бытовой техникой, средствами коммуникации, иметь доступ к современному медицинскому и образовательному оборудованию. При использовании местного топлива стимулируется местное экономическое развитие, увеличивается количество рабочих мест в сельскохозяйственном секторе, где безработица, миграция и социальные проблемы наиболее высоки (Найман С. М., 2013).
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 16; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!