Использование биотехнологии для биодеградации отходов растениеводства и животноводства. Получение биогаза.

Обострение экологических проблем, истощение запасов не возобновляемых энергоресурсов, рост цен на них, обусловили глобальный интерес к разработке и использованию технологии биоконсервации органических отходов для получения тепловой и других видов энергии.

Известно, что животные плохо усваивают энергию кормов и более половины её уходит в навоз, который прежде всего является ценным видом органического удобрения. Вместе с тем он может быть использован в качестве возобновляемого источника энергии. Концентрация животных на крупных фермах и комплексах обусловила увеличение объема навоза и навозных стоков, которые должны утилизироваться, не загрязняя окружающую среду. Одним из путей рациональной утилизации навоза и навозных стоков является их анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезвреживание навоза и сохранение его как важнейшего органического удобрения при одновременном получении биогаза.

В ряде стран мира в качестве сырья для получения биогаза используют городские, сельские и промышленные отходы, что способствует охране окружающей среде. Интересен в этом отношении опыт Японии, ученые которой на базе городской токийской свалки, содержащей 12 млн. тонн мусора, путем микробиологического брожения получают газ, являющийся топливом для электростанции мощностью 716 квт. Выхлопной газ с турбин поступает в систему отопления, отходы брожения перерабатывают в удобрения, обеспечивая таким образом полную безопасность технологии. Подобные приемы широко используют в Индии, Китае, странах Африки, а также в личных хозяйствах.

Однако, первый опыт относится к 1895 году, когда в английском городе Экзетер был введен в эксплуатацию так называемый септиктенк для очистки коммунальных отходов. Помимо чисто санитарных задач, эта установка обеспечивала получение биогаза, который использовался для освещения улиц.

Утилизация органических отходов на животноводческих объектах обеспечивает высокую степень обеззараживания, получение в кратчайший срок минерализованных органических удобрений и выработку биогаза.

Анаэробное сбраживание навоза с получением биогаза осуществляется в специальных биогазовых установках.

Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанобразующих бактерий превращаются в газообразные продукты – метан и углекислоту. Степень разложения органического вещества при анаэробном сбраживании навоза составляет 25-45%. В состав биогаза входят: СН₄ (55-070%); СО₂ (27-44%); Н₂ (1%), где % - объемная доля.

Биогаз успешно применяют как топливо. Его можно сжигать в горелках отопительных установок, газовых плит, использовать в холодильных установках, в инфракрасных излучателях, в автотракторных двигателях, в газовом цикле Отто и газодизельном цикле. Карбюраторные двигатели легко переводятся на газ. Достаточно заменить карбюратор на смеситель.

При производстве энергии из биогаза в электрический ток преобразуется 30% его энергоресурса, остальная часть – отбросная теплота. Ее можно использовать при нагревании воды для бытовых нужд и содержания скота, отопления жилых помещений и теплиц, подогрева воздуха для сушилок, а также при регулировании микроклиматав животноводческих помещениях и нагрева навоза до нужной температуры брожения в биогазовых реакторах. Кроме того, метановое брожение навоза обеспечивают его дезодорацию, дегильминтацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую для растений форму. При этом питательные вещества – азот, фосфор, калий – практически не теряются. Потери азота, которые при других методах обработки навоза составляют до 30%, в процессе метаногенеза не превышают 5%. При этом значительная часть азота, присутствующего в свежем навозе в форме органических соединений, в сброженном содрежатся в аммиачной форме, которая быстро усваивается растениями. Навоз после анаэробной обработки является дозодорированным, биологически стабилизированным, не привлекает насекомых.

При высоких ценах на энергию перспективной становится малоэнергоемкая анаэробная биологическая очистка с положительным выходом энергии в виде биогаза. Анаэробную очистку навоза следует рассматривать не только как дополнительный источник энергии, но и как энергосберегающую технологию.

В связи в неизбежным истощением мировых запасов природных энергоносителей исключительное значение приобрело создание индустрии, связанной с использованием растительного сырья для получения моторного топлива. В обозримом будущем, вероятно, будут найдены заменители нефтепродуктов. Предполагается, что бензин будет полностью заменен этиловым спиртом. Поэтому идут поиски микроорганизмов, пригодных для создания более эффективной технологии получения дешевого этилового спирта из растительного сырья на основе ферментации. Дешевый этиловый спирт необходим так же для производства растворителей, красок, смазывающих и клеящих материалов, смол для синтетических волокон, лекарственных веществ и т.д.

Под энергетическим спиртом понимается этанол, получаемый при спиртовом брожении сахаридных субстратов. В последние годы в мире было произведено 70 млн. галлонов этанола путем брожения, что обеспечило экономию в 2% от современного потребления нефти.

С самого начала освоения космического пространства микробиологические приемы биотехнологии были использованы учеными различных стран. Так разработаны биотехнологические модели, в которых микроорганизмы генерируют искусственную атмосферу внутри космических кораблей и перерабатывают отходы.

Лекция 9