способ утилизации отходов в комплексе безотходного птицеводства и животноводства с собственным производством кормов

Формула изобретения

Способ утилизации отходов в комплексе безотходного птицеводства и животноводства с собственным производством кормов, включающий биотехнологическую и термохимическую переработку навоза и помета с получением электрической и тепловой энергии, газообразного и жидкого топлива для использования как при переработке навоза и помета, так и для приготовления кормов, кормовых добавок, используемых для получения животноводческой и птицеводческой продукции, органических и неорганических удобрений для выращивания кормовых растительных культур при производстве кормов, отличающийся тем, что часть растительных отходов, образующихся при выращивании кормовых растительных культур, подвергают биотехнологической и термохимической переработке, причем термохимическую переработку осуществляют посредством низко- и среднетемпературной газификации с получением газа и промывных вод, промывные воды смешивают с жидкой фракцией, образующейся при биотехнологической переработке навоза и помета, и подвергают дополнительной биотехнологической переработке совместно с частью концентрированных сточных вод, образующихся при получении птицеводческой и животноводческой продукции с получением дополнительных количеств газообразного топлива, органических и неорганических удобрений, кормовых добавок и технической воды.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый способ относится к сельскохозяйственному производству, основной целью которого является получение птицеводческой (мясо, яйца) и животноводческой (мясо, молоко) продукции. В более узком смысле, способ относится к области интенсивного животноводства, основанного на возможно более глубоком использовании отходов основного (навоз, помет) и вспомогательного (сточные воды, растительные остатки) производств с целью обоснованного с экономических и экологических позиций замещения привозных кормов и подаваемой извне энергии (энергоносителей).

Известны способы производства животноводческой продукции, ориентированные на использование отходов животноводства, в первую очередь навоза, помета для получения определенного количества удобрений, кормов и энергии. Проект под названием «Протеиновый конвертер» предусматривает получение органического вещества путем выращивания водорослей, гидропонной зелени в культивационных сооружениях с использованием навозных стоков. Часть навоза используется для приготовления кормов, часть - для разложения на кислород и водород, причем последний используется как энергетический материал (Герасименко В.П. «Практикум по агроэкологии». СПб.: «Лань», 2009 г.)

Основным недостатком данного способа является использование для получения растительной биомассы культивационных сооружений, отношение запасенной энергии к энергозатратам в которых существенно превышает аналогичный показатель для интенсивного земледелия (Красновский А.А. «Пути биологического преобразования солнечной энергии», в кн. Будущее науки. Международный ежегодник. Выпуск 12, М.: Знание, 1979).

Предлагаемый способ целесообразно использовать при отсутствии земельных угодий или при возможности сезонного маневрирования в рамках системы «стойловое содержание - пастбище».

Известен способ получения животноводческой продукции, согласно которому используется два контура утилизации отходов и получения кормов. Внешний контур предусматривает вывоз навоза на поля для возделывания кормовых культур, внутренний реализуется по схеме «животноводческое помещение - культивационное сооружение с гидропонной культурой», при этом при выращивании гидропонной культуры дополнительно используются тепло и углекислый газ, отводимые из животноводческого помещения. Данное решение отличается большей гибкостью и позволяет получить более высокие удельные показатели по биоэнергетическому критерию.

Основным недостатком данного способа является отсутствие процесса получения тепловой и электрической энергии, что делает агросистему полностью зависимой от внешних энергоисточников. Не предусматривается возможность непосредственной конверсии части навоза в кормовые добавки, в то время как, по крайней мере, частичная конверсия бывает энергетически выгодной.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, реализованный в комплексе для безотходного птицеводства и свиноводства с собственным производством кормов и энергии (патент RU 2423826, кл. А01K 29/00).

Согласно патенту-прототипу, навоз и помет, образующиеся в процессе жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы, подвергаются биотехнологической и термохимической переработке путем разведения навозных червей, анаэробного сбраживания в метантенке и аэробного сбраживания в пометных траншеях, термохимическая переработка реализуется посредством пиролиза и сушки навоза, помета. В результате такой переработки вырабатываются электрическая и тепловая энергия, газообразное и жидкое топливо, кормовые добавки, органические и неорганические удобрения. Кормовые добавки непосредственно используются для получения животноводческой и птицеводческой продукции. Органические и неорганические удобрения направляются на выращивание кормовых растительных культур, при этом в качестве моторного используется газообразное и жидкое топливо. Тепловая и электрическая энергия используется непосредственно для получения животноводческой и птицеводческой продукции, биотехнологической и термохимической переработки навоза и помета и приготовления кормов. Указанные технологические процессы объединены единой автоматической системой управления, обеспечивающей «возможность вмешательства в технологический процесс немедленно по автоматическому получению информации о нежелательном режиме».

Под желательным режимом понимается такое ведение совокупности всех упомянутых процессов, при котором «при любых внешних условиях прибыль производства продукции всегда максимальна».

Предложенное техническое решение-прототип не содержит недостатков способов-аналогов.

Основным недостатком прототипа является отсутствие обоснованного решения проблемы, связанной с утилизацией растительных отходов (остатков), образующихся после уборки урожая в системе с многопольным севооборотом кормовых культур. Известно, что основу кормовых рационов сельскохозяйственной птицы составляют зерновые корма (55-75%) (Алексеев Ф.Ф., Асриян М.А. и др. «Промышленное птицеводство». М.: Агропромиздат, 1991). Известно также, что в рецептах полнорационных комбикормов для откорма свиней на комплексах до 80,8-85,2% (по массе) составляют зерновые: кукуруза (49-62%), ячмень (16,8-9,2%), отруби пшеничные (14-15%) (Шкункова Ю.С., Постовалов А.П. «Кормление свиней на фермах и комплексах». Л.: Агропромиздат, 1988). Таким образом, предложенная в качестве одного из основных компонентов кормообеспечения комплекса система с многопольным севооборотом кормовых культур в качестве одного из основных компонентов должна включать выращивание указанных зерновых культур, причем в преобладающих количествах. Отличительной особенностью выращивания преобладающих зерновых культур является значительный выход растительных остатков, так, по соломе относительный показатель выхода чаще всего превышает 1 (по отношению к зерну).

Согласно данным на 1992 г. (ВНИИОУ) в Нечерноземье производилось около 25 млн т соломы. Очевидно, что в настоящее время данный показатель существенно ниже (пропорционально снижению производства зерна в Нечерноземье), но, с учетом прироста урожайности и увеличения посевных площадей в других регионах, порядок данного показателя остался прежним.

Максимальная оценка количества соломы, идущей непосредственно на корм скоту (яровых культур), на подстилку и на хознужды, составляет 56%, остальное должно быть утилизировано одним из доступных методов (исключая сжигание).

Одним из таких методов является запашка, причем «простая запашка измельченной соломы малоэффективна», т.к. «может привести к дефициту азота и угнетению растений» (Ненайденко Г.Н., Сергеев В.А «Рациональное применение удобрений и других средств в интенсивных технологиях». Иваново. ИСХИ, 1992 г.). В том случае, когда солому все же вносят в почву (например, под яровые зерновые), необходимо затратить значительное количество энергии на ее измельчение и дополнительно внести по 8-10 кг азота и 3-5 кг фосфора. При этом известно, что производство минеральных удобрений крайне энергоемкий процесс (на 23,4 ГДж/т для карбамида) на порядки больше, чем для органических удобрений.

С другой стороны, известно, что одна тонна соломы содержит от 5 кг азота, 2,5 кг фосфора и особенно богата калием - 8 кг. В золе соломы содержится до 18% калия. Известно также, что солома обладает значительным энергосодержанием (до 12 МДж/кг). При низкотемпературной газификации высокое содержание летучих веществ обуславливает выход (85-93% от сухого вещества) значительного количества горючих газов, пригодных для экологически чистого сжигания.

При биотехнологической переработке соломы и силосной массы кукурузы методом анаэробного сбраживания в метантенке выход биогаза составляет от 200 до 300 м³/т (Митин С.Г., Орсик Л.С., Сорокин Н.Т. и др. «Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития». М.: Росинформагротех, 2007), что позволяет получить до 9500 м ³/га биогаза или 232,7 ГДж энергии. При этом для биогазификации соломы требуется существенно более глубокая предварительная подготовка (измельчение, гидролиз), чем для переработки стеблей кукурузы, что обуславливает ее преимущественную переработку термохимическим методом.

Таким образом, использование основной массы растительных остатков непосредственно в растениеводческом цикле нецелесообразно.

Другим существенным недостатком является отсутствие в патенте-прототипе водно-технической составляющей, в то время как в существующих и перспективных технологиях выращивания сельскохозяйственных животных и птицы вода является одним из ключевых составляющих эффективного ведения производственного процесса, причем не только для поения. Современные процессы содержания животных, птицы, кормоприготовление, убой, навозоудаление основаны на дифференцированном применении воды, причем количество сточных вод и степень их загрязнения весьма значительны (от 200 до 3000 м³ в сутки для птицефабрик при концентрации органических загрязнений до 1000 мг/л и более, по БПК - 20), см. кн. Промышленное птицеводство, авт. Алексеева Ф.Ф. и др.

Отдельные виды концентрированных сточных вод (например, стоки убойных цехов) являются ценным источником сырья для метантенков. Другие менее концентрированные сточные воды могут обрабатываться в высоконагруженных аэротенках с высоким приростом биомассы с последующей ее переработкой в метантенках.

Необходимо также учитывать, что такие составляющие прототипа как анаэробное и аэробное сбраживание и сопряженное с ними предварительное или последующее обезвоживание субстратов являются источниками высококонцентрированных сточных вод (фугатов, надосадочных жидкостей, фильтратов). Отсутствие учета данных потоков неизбежно приведет к существенному загрязнению окружающей среды, потере ценных удобрительных компонентов и запасенной в органическом веществе биологической энергии.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение энергоэффективности процесса получения птицеводческой и животноводческой продукции, снижение негативной нагрузки на окружающую природную среду.

При выращивании кормовых культур (преимущественно зерновых) основная масса растительных остатков подвергается, после минимальной подготовки, анаэробному сбраживанию (например, стебли кукурузы) и (или) низко- или среднетемпературной термохимической переработке с получением синтез-газа, промывных вод и золы. При этом предпочтение может отдаваться либо генерации биогаза (до 70% метана) с одновременной выработкой удобрений (биошлама), обогащенных аммонийным азотом, либо производству синтез-газа, основными целевыми компонентами которого являются СО и Н ₂, а также золы (до 18% калия, при газификации соломы). Для получения т.н. «силового газа», состоящего помимо нейтрального балласта - азота и диоксида углерода - из СО и Н ₂, исходные продукты газификации необходимо очистить от кислот органических жидкостей, ароматических углеводородов, паров смол. Согласно предложенному ВИЭСХ, наиболее целесообразно для первой, наиболее нагруженной по загрязнениям, стадии очистки газа использовать жидкости, образующиеся при фазовом разделении исходных продуктов переработки навоза, помета. Таким образом, сохраняется исходный и увеличивается совокупный биоэнергетический потенциал жидких составляющих биотехнологической и термохимической переработки. Наиболее целесообразно в качестве промывной жидкости использовать относительно слабозагрязненные конденсаты вакуумной сушки помета. В совокупности с концентрированными сточными водами основных и вспомогательных производственных цехов образовавшаяся смесь может быть эффективно использована для получения дополнительных количеств биогаза на анаэробной стадии и дополнительных количеств биомассы на аэробной стадии. Дополнительно полученная биомасса может быть использована после метаногенерации для приготовления удобрений или термохимической газификации. Очищенная и обеззараженная вода может быть использована повторно или сбрасывается в водоем. В отличие от прототипа, в котором предлагается либо использовать безводные технологии (что на сегодняшнем уровне развития птицеводства и животноводства не реализуемо), либо реализовывать локальные замкнутые циклы технического водоснабжения и водоотведения (что небезопасно в санитарном и экологическом отношениях), в предлагаемом техническом решении водные ресурсы вовлекаются в биоэнергетический цикл, а степень их внешней (на уровне всего комплекса) или внутренней (на уровне цехов) рециркуляции устанавливается в зависимости от местных условий, экономической, экологической ситуации и особенностей используемых технологий.

Технический результат достигается тем, что часть растительных отходов, образующихся при выращивании кормовых растительных культур, подвергается биотехнологической и термохимической переработке, причем термохимическую переработку осуществляют посредством низко- и среднетемпературной газификации с получением газа и промывных вод, промывные воды смешивают с жидкой фракцией, образующейся при биотехнологической переработке навоза и помета, и подвергают дополнительной биотехнологической переработке совместно с частью концентрированных сточных вод, образующихся при получении птицеводческой и животноводческой продукции с получением дополнительных количеств газообразного топлива, органических и неорганических удобрений, кормовых добавок и технической воды.

Сущность изобретения поясняется фигурой 1, на которой представлена структурная схема способа получения птицеводческой и животноводческой продукции.

Согласно структурной схеме, ферма Ф и кормоцех КЦ в соответствии с общепринятой практикой снабжаются, по крайней мере, частично энергией и водой от внешних источников. Снабжение кормами, по крайней мере, частично осуществляется за счет культур, выращиваемых на прифермском растениеводческом комплексе РК. Навоз, помет из фермы Ф отводятся в соответствии с текущими потребностями комплекса частично в блок производства удобрений ПУ, частично в блок производства кормовых добавок ПКД, частично на станцию термохимической переработки ТХП. Соответственно, выработанные с использованием биотехнологических методов кормовые добавки из блока ПКД направляются в кормоцех КЦ, органические и неорганические удобрения (зола) из блока ПУ используются в растениеводческом комплексе РК для выращивания кормовых культур, полученные кормовые компоненты поступают в кормоцех КЦ и после реализации процессов кормоприготовления с использованием кормовых добавок поступают в виде готовых кормов на ферму Ф. Часть навоза, помета с фермы Ф биотехнологическими методами, сопряженными с получением удобрений и кормовых добавок, перерабатывается в биогаз в блоках ПУ, ПКД. Другая часть вместе с растительными отходами направляется на станцию термохимической переработки.

Вырабатываемый на станции термохимической переработки ТХП генераторный газ вместе с биогазом поступает в энергоблок ЭБ, в котором известными методами, преимущественно когенерацией, вырабатывается электрическая и тепловая энергия, направляемая затем на ферму Ф, кормоцех КЦ и на биотехнологическое производство БТП. Часть энергии, запасенная в газообразной (например, сжатый биогаз) или жидкой форме (сжиженный метан), направляется для возделывания кормовых культур на комплекс РК. Образовавшиеся при первичной очистке генераторного газа из станции ТХП промывные воды, после смешения с концентрированными сточными водами кормоцеха КЦ, фермы Ф, подаются на станцию биотехнологической очистки БТО, где последовательно подвергаются анаэробной очистке с получением биогаза и минимальным приростом биомассы и аэробной очистке с получением избыточной биомассы в количестве 0,5 ХПК_бм /ХПК_з, где ХПК_бм.з химическое потребление кислорода биомассой и загрязнениями, соответственно. Избыточная биомасса направляется на биотехнологическое производство БТП для метаногенерации и переработки в удобрение. После обеззараживания вода либо сбрасывается в водоем, либо применяется повторно на ферме Ф, кормоцехе КЦ в технических целях.

Зола, вырабатываемая в процессе низко- и среднетемпературной термохимической переработки растительных отходов (преимущественно соломы), представляет собой ценное калийное минеральное удобрение - до 18% калия, пригодное для коррекции (по калию) состава относительно бедных калием удобрений на основе свиного навоза и помета.

Перераспределение исходного сырья между блоками производства удобрений ПУ и производства кормовых добавок ПКД осуществляется в зависимости от текущей потребности в удобрениях и кормах, при этом в случае временного отсутствия потребности (например, сезонного) в них пометная и навозная масса может полностью перерабатываться в биогаз и/или в генераторный газ. Во избежание строительства крупных дорогостоящих газохранилищ биогаз после очистки может разделяться на метан и углекислый газ с последующим сжатием (ожижением) метана и использованием его на транспорте. Углекислый газ в сжатом виде может вывозиться и использоваться за пределами комплекса в соответствующих производствах. Генераторный газ после соответствующей подготовки может быть с использованием известных методов непосредственно на месте переработан в аммиак или моторное топливо. Современные процессы газификации, основанные на кислородном дутье, позволяют получать среднекалорийный газ с Q_н 1 - МДж/м³ без азотного балласта.