Эффективные удобрения и биогаз: два в одном

Возобновляемые источники энергии в АПК

Технология получения биогаза и переработки органических отходов в высококачественное удобрение путем анаэробного сбраживания, давно известна человечеству. Она успешно применяется в ряде стран, способна кардинально улучшить экономические, экологические и социальные условия в сельском хозяйстве.

Биогазовые установки демонстрируют рекордную для технологического оборудования окупаемость – 1-2 года, а применение сброженного остатка в качестве удобрения обещает настоящий прорыв в повышении урожайности.

Биогаз — это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в специальных реакторах — биогазовых установках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании — биогаз занимает до 18% в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия — 10000 шт.

В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом. В Индии с 1981 года было установлено 3, 8 млн. малых биогазовых установок. В Китае действует около 20 млн. биогазовых установок (как правило — бытовых). Их применение позволяет заменить 10, 9 млн. тонн условного топлива.

Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Сырьем для производства биогаза служат всевозможные органические отходы: навоз животных и птиц, отходы боен, консервных заводов, мясоперерабатывающих предприятий и тд.

Альтернативной базой для производства биогаза и удобрений является растениеводство. В Европе из 15 тыс. биогазовых станций половина работают на кукурузном силосе. В Австрии кукурузу для биогазовых установок выращивают даже в горах. И с каждым годом площадей под энергетические культуры становится все больше. Если у предприятия нет отходов, но есть большие земельные площади, растениеводство может стать весьма эффективным источником сырья. С точки зрения выхода газа практически все зеленые растения в свежем или силосованном виде дают высокие результаты.

Силосная кукуруза на сегодняшний день — один из наиболее эффективных видов растительного сырья для переработки. Она дает хороший урожай с гектара и большой выход газа с 1 т (220 куб. м). Затраты на производство кукурузы относительно невелики, а техника для ее посева, уборки и дальнейшей обработки есть практически в каждом хозяйстве. Хорошая альтернатива кукурузе — свекла. Из 1 т ботвы получается 200 куб. м биогаза. Тонна разных видов трав дает 250 куб. м биогаза.

В Европе практикуются так называемые энергетические севообороты, когда одна энергетическая культура сменяется другой, что позволяет собирать зеленую массу два раза в год, подавлять рост сорняков и значительно экономить средства предприятия. Также выращивают по две культуры на одном поле одновременно, например кукурузу и подсолнечник или кукурузу и просо, что позволяет увеличить содержание питательных веществ в силосе и стабилизировать урожайность в засушливые годы. Эти технологии вполне реально применять у нас — хозяйства будут всегда обеспечены качественным высококалорийным сырьем. Причем разные культуры могут в реакторе смешиваться: во многих случаях это дает даже более эффективные результаты, чем при использовании одного вида сырья.

При анаэробном сбраживании в биогазовой установке органические вещества разлагаются в отсутствии кислорода. Этот процесс включает в себя два этапа. На первом этапе сложные органические полимеры (клетчатка, белки, жиры и др.) под действием природного сообщества разнообразных видов анаэробных бактерий, разлагаются до более простых соединений: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и окиси углерода, уксусной и муравьиной кислот, метилового спирта. На втором этапе метанообраэующие бактерии превращают органические кислоты в метан, углекислый газ и воду.

Первичные анаэробы представлены разнообразными физиологическими группами бактерий: клеткоразрушающими, углеродосбраживающими (типа маслянокислых бактерий), аммонифицирующими (разлагающими белки, пептиды, аминокислоты) бактериями, разлагающими жиры и т. д. Благодаря этому составу, первичные анаэробы могут использовать разнообразные органические соединения растительного и животного происхождения, что является одной из важнейших особенностей метанового сообщества. Тесная связь между этими группами бактерий обеспечивают достаточную стабильность процесса.

Другое, и очень важное, достоинство процесса состоит в том, что метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание остатка и устранение патогенных микроорганизмов.

В отходах переработки биомассы – биошламе, содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале. Он содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения и кормовых добавок.

Состав остатка, полученного при анаэробной переработке животноводческих отходов, зависит от химического состава исходного сырья, загружаемого в реактор. В условиях, благоприятных для анаэробного сбраживания, обычно разлагается около 70% органических веществ, а 30% содержится в остатке.

Образующиеся при сбраживании гумусные материалы улучшают физические свойства почвы: аэрацию, водоудерживающую и инфильтрационную способность почвы, а также скорость катионного обмена.

Кроме того, биошлам служит источником энергии и питательных веществ для деятельности полезных бактерий. Это способствует повышению растворимости важных химических питательных веществ, содержащихся в почве, и приводит к лучшему усвоению их высшими растениями. В ряде стран (Дания, Германия, Индия, Китай) с 90-х годов прошлого века был проведен ряд испытаний, результаты которых свидетельствует о существенном увеличении урожайности при использовании шлама в качестве удобрения.

Тогда было подсчитано, что использование биогазовых технологий для переработки органики может не только полностью устранить ее экологическую опасность, но и ежегодно получить дополнительные 95 млн. т условного топлива (около 60 млрд. м3 метана или, сжигая биогаз, — 190 млрд. кВт.ч электроэнергии), а также более 140 млн. т высокоэффективных удобрений, что позволило бы существенно сократить чрезвычайно энергоемкое производство минеральных удобрений (около 30% от всей электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством).

Ценность биошлама еще и в том, что при перепревании навоз теряет часть нитратов и нитритов, в избытке содержащихся в навозе домашних животных и птиц. В процессе ферментации они сбраживаются в аммиак и метан. Содержащиеся в сбраживаемой массе полезные фосфор, калий и азот полностью остаются в биошламе.

Основное преимущество анаэробного сбраживания заключается в сохранении в органической или аммонийной форме практически всего азота, содержащегося в исходном сырье. При традиционных же способах приготовления органических удобрений (компостированием) потери азота составляют до 30-40%. Анаэробная переработка навоза в четыре раза — по сравнению с несброженным навозом — увеличивает содержание аммонийного азота (20-40% азота переходит в аммонийную форму).

В результате сброженный навоз по сравнению с обычным в эквивалентных дозах повышает на 10-20% урожайность сельскохозяйственных культур.

Высокая рентабельность биогазовых технологий обеспечивается одновременным производством высокоэффективных органических удобрений, 1 т которых (по эффекту «на урожай») равноценна 70-80 т естественных отходов животноводства и птицеводства. Этим объясняется быстрая (1-2 года) окупаемость биогазовых установок.

Шлам можно разделить на две фракции: жидкую и твердую. И та и другая являются удобрением. Жидкая фаза навоза после анаэробной переработки обычно отвечает требованиям, предъявляемым к качеству сточных вод органами охраны природы. Он может сразу же использоваться как удобрение для прикорневой подкормки сельскохозяйственных культур. Отработанная жидкая органическая масса поступает через выгрузочную камеру в резервуар сброженной массы, а оттуда перекачивается в цистерны, с помощью которых вносят на поля обычную навозную массу.

Перед использованием биоудобрение разводят водой в 20-60 раз. Нормы использования 500-1000 л неразбавленного удобрения на гектар. С одного кубометра объема реактора в день получается 40 литров удобрений. Это значит, что с самой малой установки с реактором 3 куб.м с октября по март скопится 7200 л удобрений, которые надо где-то хранить. Их хватит для удобрения 7 – 15 гектаров. Поэтому основная проблема с биоудобрениями – это их хранение и сбыт зимой.

Твердую фракцию удобнее фасовать, хранить и транспортировать. Возможны также хранение и грануляризация шлама, после чего он может использоваться в качестве подкормки для крупного рогатого скота или как удобрение.

У натуральных биоудобрений есть одно очень полезное свойство: они выравнивают кислотно-щелочной баланс почвы, способствуют меньшему истощению. В отличие от минеральных удобрений, которые усваиваются всего на 35-50%, биоудобрения усваиваются почти полностью.

Биоудобрения не увеличивают содержание нитратов в продуктах и почве, поддерживая при этом высокую урожайность.

Как показывает практика зарубежных стран, при использовании жидких или твердых биоудобрений урожаи увеличиваются на 40–50%. Причем расход составляет от одного до пяти тонн вместо 60 т свежего навоза для 1 га земли.

Полученные удобрения можно использовать как для собственных целей, так и продавать. Во многих странах это очень выгодный бизнес, поскольку себестоимость производства одного литра удобрений составляет максимум 10-15 центов при наличии линии сушки и комплектации (если не фасовать, себестоимость равна нулю), а оптовая цена на внутреннем рынке — $1-1, 5. Установка, перерабатывающая 100 т навоза в сутки, позволяет производить 51 т твердых и 43 т жидких удобрений.

По мнению экспертов, у России есть отличные перспективы для производства биогаза и высокоэффективных биоудобрений. Количество отходов агропромышленного комплекса России сегодня достигает 600 млн. т в год (225 млн. т сухого вещества), причём большая часть этих отходов не утилизируется. Это приводит к проблемам окисления почв, отчуждению сельскохозяйственных земель (более 2 млн. га сельскохозяйственных земель заняты под хранение навоза), загрязнению грунтовых вод и выбросам в атмосферу метана – парникового газа.

Многие растениеводческие регионы страны находятся в зоне рискованного земледелия не только по климатическим условиям, но и по почвенным: для успешного растениеводства требуется постоянное внесение в почву органических удобрений. Российский показатель внесения удобрений в почву (50-60 кг на га в год) отличается от показателей стран с наиболее развитым сельским хозяйством (например, Нидерландов – 600 кг/га в год) на порядок. Это один из факторов обуславливающих низкую конкурентоспособность российской сельскохозяйственной продукции. Поэтому в средних и северных регионах Европейской России, в земледельческих районах Сибири потребность в органических удобрениях будет постоянной и она будет определяющей в развитии биогазовых технологий.

По подсчетам экспертов, при интенсивном подъеме сельскохозяйственного производства России через несколько лет общий объем производимых органических отходов может составить 675 млн т (по сухому веществу). Значение этого фактора будет возрастать по мере роста тарифов на газ и связанного с этим удорожанием минеральных удобрений (в первую очередь азотных).

Рынок биоудобрений в России еще не сформирован, но если исходить из мирового опыта и стоимости эквивалентных минеральных удобрений, то одна тонна или 1000 литров неразбавленного удобрения должны стоить около 130 USD.

Простой подсчет показывает, что минимальная установка с реактором в 3 куб.м за год на удобрениях может принести доход до 5700 USD, что с запасом перекрывает ее стоимость.

Такая минимальная установка способна за год обеспечить удобрениями 40-80 га обрабатываемой земли с минимальным повышением урожайности 20%. При выращивании, например, пшеницы, с учетом минимальной закупочной стоимости и норм внесения удобрений, дополнительная прибыль при минимальном повышении урожайности составит около 6000 USD, что тоже окупает биогазовую установку с запасом. При выращивании более дорогих культур, прибыль может быть увеличена в разы.