Биотехнологический комплекс по переработке отходов жизнедеятельности живых систем: основа устойчивого развития органического сельского хозяйства

Биотехнологический комплекс является замкнутым безотходным экологически безопасным предприятием, которое обеспечивает качество окружающей среды в соответствии с действующим природоохранным законодательством, полную утилизацию фекальных стоков и получение на их основе биогумуса, биологически эффективных органоминеральных удобрений, кормовых добавок для животных и птицы, электроэнергию и тепло. При этом на предприятии реализуется бессточный замкнутый цикл оборотного деминерализованного водоснабжения. Очищенные сточные воды направляются в биопруды, на орошение, теплицы и на собственные нужды ферм КРС.

Предлагаемые разработки биотехнологических комплексов по переработке органических отходов позволяют обеспечить сельскохозяйственные и городские предприятия ЖКХ дополнительными возобновляемыми источниками электроэнергии и тепла как для собственных нужд, так и для реализации другим предприятиям и населению.

Биотехнологический комплекс также предусматривает получение биоорганических удобрений (биогумус) и биоминеральных удобрений (типа NPK) для повышения плодородия почв, повышения урожайности злаковых и плодоовощных культур, кормовых биодобавок для получения дополнительных объемов животноводческой продукции и существенно сократить потребление питьевой воды, расходуемой на собственные нужды предприятия.

Предлагаемые инновационные биотехнологии позволяют перерабатывать органические отходы в новую продукцию и реализовать замкнутый эколого-технологический цикл в системе устойчивого развития органического сельского хозяйства.

Вестник АПК Ставрополья -№ 2(14), 2014 УДК 631.8 Корнилов Н. И., Степаненко Е. Е., Корнилова Е. Н., Чуксин И. С.

Ключевые слова: биоорганические отходы, биогаз, биогумус, криогенное фракционирование, биотехнологический комплекс.

Современные экологические проблемы и угрозы глобального кризиса на современном этапе предполагают соблюдение условия, чтобы используемые природные ресурсы постоянно возобновлялись, количество и качество не уменьшалось и не ухудшалось, а только увеличивалось и улучшалось. Главный принцип устойчивого развития предусматривает рост объемов ресурсопользования, восстановление истощенных (земли, леса и др.) и возобновление частично утраченных ресурсов (вода).

Снижение энергоемкости производства продуктов питания и обеспечения других потребностей человека путем разработки инновационных энергосберегающих технологий и переход к органическому земледелию — это реальный путь выхода из экологического кризиса XXI века.

Новая идеология ресурсопользования предусматривает разработку ресурсосберегающих малоотходных и экологически безопасных технологий переработки органических отходов живых систем с целью создания замкнутых технологических циклов с максимально полным использованием биомассы и отходов, образующихся при ее переработке. При этом конечный продукт после использования должен легко превращаться в первичный (исходный) материал для нового производства. В итоге получается замкнутая эколого-технологическая система.

Классическим примером служит натуральное сельское хозяйство, где существует цикличность производственных процессов с максимальным использованием отходов, образующихся при переработке продукции растениеводства и животноводства. Поэтому разработка инновационных технологий, применяемых для переработки органических отходов сельскохозяйственных производств и хозяйственно-бытовых сточных вод урбанизированных территорий, в настоящее время представляет социальный и экономический интерес в связи с практически неисчерпаемыми источниками исходного сырья, представляющего отходы жизнедеятельности живых систем [1].

При этом создаются предпосылки перехода агроиндустрии к органическому земледелию, повышается плодородие почвы и соблюдаются принципы замкнутой системы — круговорот, циклы, именно то, что соответствует принципам безопасности и развития биосферы.

1.    Органическое сельское хозяйство.

Органическое сельское хозяйство является приоритетным направлением устойчивого развития аграрного сектора экономики. Зарубежный опыт свидетельствует о том, что органическое сельское хозяйство является средством охраны и защиты окружающей среды, сохранения и приумножения биоразнообразия, разнообразия ландшафтов, сокращения эрозии и повышения плодородия почв, сохранения чистоты грунтовых вод, сохранения климата, улучшения качества жизни и социального здоровья населения [2].

Поддержка развития органического сельского хозяйства должна стать одной из задач государства. Актуальность проблемы заключается еще и в том, что Россия стала членом Всемирной торговой организации. Поскольку зарубежный продовольственный рынок в значительной степени ориентирован на органические культуры, то в России в целях обеспечения конкурентной способности отечественных производителей сельскохозяйственной продукции необходимо ориентироваться, во-первых, на производство востребованной продукции, а во-вторых, она должна быть высококачественной [3].

Развитие производства органической сельскохозяйственной продукции связано с разработкой инновационных биотехнологий по переработке вторичного сельскохозяйственного сырья и поддерживается Концепцией устойчивого развития сельских территорий Российской Федерации от 30 ноября 2010 г, № 2136-р. [4].

Экологическое земледелие как новая отрасль органического сельского хозяйства России находится на стадии становления и еще не сформировано достаточно научно обоснованное информационное пространство. Поэтому разработка инновационных технологий по переработке отходов жизнедеятельности живых систем представляет собой острый социальный и экономический интерес [5].

2.    Экологическое воздействие предприятий АПК на окружающую среду.

Экологическое воздействие на окружающую среду оказывают органические отходы животноводства — 4 класса опасности, отходы полеводства и тепличных хозяйств — 4-5 класса опасности, отходы перерабатывающих производств — 4 класса опасности. В ряду экологических загрязнителей территорий следует также рассматривать минеральные удобрения и инсектициды 1-2 класса опасности.

В отчете Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (Food and Agriculture Organization, FAO) подчеркивается, что в настоящее время отходы животноводства стали одним из основных источников загрязнения воды и почв.

Для того чтобы устранить неблагоприятное экологическое воздействие сельскохозяйственных отходов на окружающую среду, включая водные бассейны, земельные территории и атмосферный воздух, предлагается инновационный способ и оборудование для переработки навоза крупного рогатого скота и других органических отходов живых систем в легкоусвояемые органоминеральные удобрения, зеленую массу, электроэнергию и тепло, которые могут быть реализованы для развития экологического земледелия и сельских территорий в России.

Разработка замкнутой технологии по переработке вторичного сельскохозяйственного сырья приобретает большое значение при создании пилотных проектов, один из которых предлагается к внедрению на территории Ставропольского края.

3. Инновационная технология переработки органических отходов жизнедеятельности живых систем.

В Ставропольском государственном аграрном университете разработаны инновационные энерго-ресурсосберегающие технологии по переработке органических отходов животноводства и хозяйственно-бытовых стоков жилищнокоммунального хозяйства. Целью проведенных исследований является создание на территории Ставропольского края предприятий по переработке органических отходов животноводческих ферм и биологической очистке хозяйственнобытовых сточных вод ЖКХ производительностью до 100 тонн в сутки.

В ходе реализации поставленной цели были выполнены исследования процессов переработки органических отходов в биогаз, биоорганические и минеральные удобрения, очистки фекальных стоков животноводческих ферм и получения «зеленых кормов». В результате исследований были разработаны технологические схемы и оборудование для экспериментальной и промышленных установок биотехнологического комплекса.

Научная новизна предлагаемых решений основана на собственных научно-технических разработках участников проекта по созданию биотехнологических комплексов по переработке вторичного сельскохозяйственного сырья (патент на полезную модель № 113913) и переработке органических отходов коммунальнобытовых стоков урбанизированных территорий (патент на полезную модель № 129095). Аналогов заявленным биотехнологическим комплексам в научно-технической и патентной литературе мы не нашли [6, 7].

Инновационность проекта заключается в разработке автономного самодостаточно развивающегося производства, безотходного, замкнутого, экологически безопасного, работающего на вторичном сельскохозяйственном сырье и органических отходах хозяйственно-бытовых стоков, использующего собственные энергоресурсы и оборотную воду, получаемые при переработке органических отходов. Предприятие может производить собственную товарную продукцию как для собственных нужд, так и для реализации на рынке (биогумус, органоминеральные удобрения, стимуляторы роста и защиты растений от болезней и сельскохозяйственных вредителей и белково-витаминных концентратов для скармливания скоту и птице).

Инновационные технологии переработки вторичного сельскохозяйственного сырья реализуются на предприятиях, включенных в состав откормочных животноводческих комплексов.

Технологическая схема переработки органических отходов предполагает выполнение следующей последовательности производственных процессов [8].

Исходный продукт (органические отходы) поступает в приемную емкость, представляющую собой подземный крытый резервуар. Фекальным насосом исходный продукт из приемной емкости направляется на фильтр-пресс, расположенный в непосредственной близости от нее (рис.).

На фильтр-прессе происходит отделение твердой фракции исходного продукта (компост) и фильтрата (пульпа). Отделенная часть твердой фракции исходного продукта направляется для получения биогумуса с применением вер-микультур (красных компостных червей).

Отжатый фильтрат (с влажностью до 92 %) гомогенизируется и измельчается до размеров, необходимых для эффективной биодеградации на последующем этапе технологической цепочки.

Подготовленная мелкодисперсная пульпа подогревается до температуры 37-42 оС. В процессе биодеградации пульпы удаляются вредные бактерии и кислород. Для нагрева используется тепловая энергия от когенерационной установки.

Далее подготовленный продукт непрерывно подается в метантеки, расположенные на прилегающей к животноводческим фермам площадке. В метантеках происходит биодеградация продукта с выделением биогаза и образованием органоминеральной пульпы.

Выделенный биогаз (смесь CH4 и CO2) аккумулируется в газгольдере, также размещенном на площадке, прилегающей к животноводческим фермам.

Из газгольдера биогаз направляется в сепаратор газа, где происходит разделение CH4 и CO2, отделение сернистой компоненты и обезвоживание (пеногашение).

Обогащенный метан направляется на коге-нерационную установку для получения электроэнергии и тепла. Полученная тепловая и электроэнергия направляются на нужды ферм и собственные нужды биогазового комплекса (75 КВт). Выделенный углекислый газ идёт на получение карбоната кальция и в активные биопруды.

Прошедшая биодеградацию в метантеках пульпоподобная масса по продуктопроводу подается на центрифугу, где происходит ее разделение на жидкую и консистентную составляющие. Консистентная составляющая направляется на сушку с использованием тепла когенерационной установки. В сушилке получают сухой продукт (органоминеральные биоудобрения).

Жидкая составляющая поступает в криогенную установку, где методом криогенного фракционирования получают азотно-фосфорно-калийные биоудобрения и деминерализованную воду. Очищенная вода сбрасывается в активные биопруды.

Активные биопруды (общая площадь 500-1000 кв. метров) располагаются на прилегающей к фермам площадке. Биопруд представляет собой бассейн, заполненный биологически активной высшей водной растительностью, например, Эйхорни-ей. Корневая система растений очищает воду пруда до санитарно-гигиенических норм вод рыбохозяйственного назначения. Очищенная вода в дальнейшем сбрасывается на рельеф или направляется на оборотное водоснабжение предприятия. В биопруде образуется зеленая масса, которая может быть использована в пищевой цепочке животных и птицы или направляется на компостирование. Активный биопруд служит утилизатором остаточного тепла и углекислого газа, отобранного в процессе обогащения биогаза [9].

Литература

1. Степаненко Е. Е., Капленко Е. В. Биологическое сельское хозяйство на примере учебно-опытного хозяйства «Визен-гут» (Германия) // Экология и устойчивое развитие сельской местности : сборник материалов международной научнопрактической конференции. Ставрополь : Ставропольское изд-во «Параграф»,2012. С.119-121.
2. Мазурова А. Ю. Развитие органического сельского хозяйства // Международный сельскохозяйственный журнал. 2007.
3. Щукин С. В. Экологизация сельского хозяйства (перевод традиционного сельского хозяйства в органическое). Серия обучающих пособий «RUDECO. Переподготовка кадров в сфере развития сельских территорий и экологии». М., 2012. 196 с.
4. Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации : утверждена Указом Президента Российской Федерации от 30 января 2010 г № 120. Доступ из справ.-правовой системы «Консультант-Плюс».
5. Кошелев В. М., Пешкова А. В. Органическое сельское хозяйство: экономические аспекты трансформации : монография. М. : Изд-во РГАУ-МСХА, 2013. 140 с.
6. Пат. 113913. Российская Федерация. Биотехнологический комплекс по переработке органических отходов животноводства / Корнилов Н. И., Кудинов Р А., Махотенко М. А. опубл. 10.03.2012.
7. Пат. 129095. Российская Федерация Биотехнологический комплекс по переработке фекальных отходов предприятий жилищно-коммунального хозяйства / Корнилов Н. И., Корнилова Е. Н., Пап-ко В. В.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Ставрополь-АРСИО» (RU) e,k/ 20.06.2013.
8. Кирюшин В. И. Экологизация земледелия и технологическая политика. М. : Изд-во МСХА, 2009. С. 128.
9. Степаненко Е. Е., Поспелова О. А., Зеленская Т. Г Исследование химического состава фильтрационных вод полигона твердых бытовых отходов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. Т. 11, № 1-3. С. 525527.