Ижевская Государственная Сельскохозяйственная Академия Исследование получения биогаза из отходов продукции птицеводства М.В. Свалова кандидат технических наук В.В. Касаткин доктор технических наук Ф.М. Бурлакова кандидат технических наук

АКТУАЛЬНОСТЬ В агропромышленном комплексе существуют предприятия повышенной экологической опасности, специфической характеристикой которых в настоящее время является то, что с наращиванием мощностей, увеличением объемов товарооборота, пропорционально возрастает их опасность для окружающей среды. Представителем такого рода предприятий является птицеводческое хозяйство. Количество органических отходов, таких как куриный помет, скапливающихся на эффективно работающих птицефабриках, фактически превращает их в «экологическую бомбу» огромной разрушительной силы, отравляющую не только атмосферу самой птицефабрики, но и распространяющуюся в трансграничном масштабе.

По данным Управления Россельхознадзора по Удмуртской Республики интенсивное развитие животноводства в сельскохозяйственном производстве обусловливает две существенные экологические проблемы в республике: проблему утилизации навоза и помета и проблему утилизации биологических отходов. В годах Управлением Россельхознадзора по Удмуртской Республике проведены проверки более 70% сельскохозяйственных предприятий республики. Практически ни на одном из них не уделяется внимание утилизации навоза. Это серьезная проблема, которая уже сейчас наносит ущерб окружающей среде.

Нами проведены исследования процесса анаэробного сбраживания птичьего помёта. Разъяснение процессам, происходящем при анаэробном сбраживании помёта, дали классические исследования В. Л. Омелянского, произведенные им в конце прошлого столетия. Ему удалось установить, что в анаэробном разложении клетчатки принимают участие два вида бактерий. Рисунок 1. Вас. Cellulosae methanicus. Слева – молодые клетки; в центре – барабанные палочки; справа – споры. Увеличение 100. Одна форма получила название Вас. cellulosae methanicus. Эта бактерия спороносная, имеет форму барабанной палочки (рисунок 1) образует среди продуктов сбраживания клетчатки значительные количества водорода, а другая - значительные количества метана.

Другая форма была названа Омелянским Вас. cellulosae hydrogenicus (рисунок 2). Она представляет собой длинные (1012µ) палочки. Споры образуются на одном из концов клет­ки. При этом происходит вздутие конца, и бактерия приобретает вид барабанной палочки. Рисунок 2. Bacillus celluloses hydrogenicus. Слева – молодые клетки ; в центре- барабанные палочки; Справа – споры Увеличение 1000

Из экскрементов животных удалось выделить Вас. Cellulosae dissolvens (рисунок 3. увеличение 1500), лучше всего разлагающую клетчатку при температуре 45…55ºС. Рисунок 3. Bacillus celluloses dissolvens

Схема процесса утилизации птичьего помёта представлена рисунке 4. CH 4 CO 2 N NH 3 N x O y SO 2 N биогаз удобрение помёт NH 3 N x O y SO 2 N белок R – CHNH 2 + COOH · CH – R 1 R – CHNH · CO · CH – R 1 + H 2 O ׀ ׀ ׀ ׀ COOH NH 2 COOH NH 2 конденсат

Поскольку субстрат заражен инфекционным материалом, то споры бациллы метанового брожения начинают прорастать с высокой скоростью. Сопутствующая микрофлора снижает окислительно- восстановительный потенциал среды и обогащает ее сложными азотистыми соединениями, необходимыми для развития анаэробных бактерий. Термофильные бактерии прорастают только в симбиозе с другими бактериями, когда развитие мезафильных бактерий еще не угасло, и микрофлора среды благоприятна для их развития.

Азот из аммиачной и нитратной формы переходит в белковую. Для синтеза белка требуются различного типа ами­нокислоты, которые, в свою очередь, образуются в клетках микроорганизмов при взаимодействии аммиака с соответствующими кетокислотами. Процесс аминирования идет по следующей схеме: RСО СООН+МНз+2Н RСН (NН2) СООН+Н2О Особенно легко происходит аминирование дикарбоновых кетокислот типа щавелевоуксусной и α- кетоглютаровой кислот.

В ходе аминирования и переаминирования образуют­ся α- аминокислоты. В белковых же веществах наряду с ними всегда содержатся и аминокислоты, включающие в свой состав дополнительные атомы азота или серы. Из аминокислот синтезируются далее белковые вещества. Взаимодействие между различными амино­кислотами осуществляется через аминные и карбоксиль­ные группы. В результате этого взаимодействия получаются белковые вещества: R – CHNH 2 + COOH · CH – R 1 R – CHNH · CO · CH – R 1 + H 2 O ׀ ׀ ׀ ׀ COOH NH 2 COOH NH 2 Различные радикалы R, R 1, R 2, находясь в боковых цепях и придают им соответствующую реактивную способность.

На первом этапе в естественных условиях получены экспериментальные зависимости выработки биогаза и температуры в реакторе от продолжительности процесса и температуры окружающей среды (рисунок 5). Рисунок 5 Зависимость изменения температуры в реакторе и выработки биогаза от продолжительности процесса. Температура в реакторе непрерывно, но незначительно повышается в течение цикла. Повышение температуры происходит даже при понижении температуры окружающей среды. Кроме того, реактор не имел теплоизоляции, поэтому происходили потери тепла в окружающую среду. Непрерывное увеличение температуры процесса объясняется тем, что при сбраживании биомассы освобождается энергия за счет физиологической деятельности мезафильных бактерий.

Обобщенные данные исследований выработки биогаза от продолжительности процесса в естественных условиях представлены на рисунке 6. Рисунок 6 Изменение выработки биогаза по дням исследований в естественных условиях

Второй и третий этапы включают исследования в изотермических условиях. На втором этапе исследований изменение выработки биогаза по дням представлены на рисунке 7. Рисунок 7 Изменение выработки биогаза по дням исследований в изотермических условиях Как следует из анализа экспериментальных зависимостей первого и второго этапов исследования, выработка биогаза на втором этапе значительно превышает выработку первого этапа экспериментов. Более интенсивная выработка биогаза на второй стадии цикла свидетельствует о высокой активности бактерий этого периода. Следовательно, возможно объединение мезафильной и промежуточной стадий процесса анаэробного сбраживания птичьего помета в единый цикл.

На третьем этапе исследовано влияние параметров процесса утилизации птичьего помета на выработку биогаза. Реализован полный факторный эксперимент типа 24 по плану Draper-lin small composite design и получена математическая модель процесса выработки биогаза. Математическая модель получения биогаза описывается полиномом второй степени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненные исследования являются теоретической предпосылкой для разработки баланса по азоту при утилизации птичьего помёта методом анаэробного сбраживания.