Ученые превратили фермерские отходы в электричество и тепло

Работу провели ученые кафедры машин и оборудования в агробизнесе Казанского государственного аграрного университета: доктор технических наук, профессор РАН Булат Зиганшин; кандидат технических наук, доцент Ильнур Гайфуллин, а также кандидат химических наук, доцент кафедры биотехнология, животноводство и химия Зульфия Халиуллина. Результаты опубликованы в журнале «Агробиотехнологии и цифровое земледелие».

Навоз и птичий помет — серьезная проблема для животноводческих ферм. Их нельзя просто вывезти в поле, потому что в отходах сохраняются болезнетворные бактерии, яйца паразитов и семена сорняков. Неправильное хранение загрязняет почву и грунтовые воды. При этом органические отходы содержат азот, фосфор и калий — ценные элементы для удобрений. В России ежегодно образуется 150 миллионов тонн таких отходов, но перерабатывается только 20%. Одновременно фермы тратят деньги на покупку минеральных удобрений и топлива, хотя могли бы производить их из собственных отходов.

Ученые создали установку, которая перерабатывает навоз без доступа воздуха — в этих условиях специальные бактерии разлагают органику и выделяют метан. Главная особенность конструкции — двойной корпус с воздушной прослойкой между стенками. Такая система работает по принципу термоса и хорошо держит тепло. Это важно, потому что для эффективной работы бактерий нужна стабильная температура 55°C.

«Мы выбрали термофильный режим работы при 55°C, — объясняет профессор Зиганшин. — При таком нагреве бактерии работают активнее и производят больше метана, чем при обычных 20-35 градусах».

В ферментатор загружают смесь навоза с водой, герметично закрывают и включают мешалку. Внутри нет кислорода — бактерии работают только в таких условиях. Они разлагают органику и выделяют биогаз, который накапливается в хранилище. Система сама поддерживает нужную температуру и давление. Биогаз проходит очистку от углекислого газа и примесей. На выходе получается топливо для отопления и выработки электричества.

Ученые проверили установку на разных видах отходов. Свиной навоз дал лучший результат — десять кубометров газа с тонны. Из коровьего навоза получилось восемь кубометров, из куриного помета — семь, а из конского — пять. Разница объясняется составом: свиной навоз содержит много легкоусвояемых веществ и имеет рыхлую структуру, а конский — много грубых волокон, которые медленно разлагаются.

После переработки из установки выгружают готовое органическое удобрение. Высокая температура убивает все вредное — болезнетворные микробы, яйца паразитов, семена сорняков. Содержание азота в удобрении в 3,5 раза выше, чем в исходном навозе, причем в форме, которую растения легко усваивают. Также в удобрении есть фосфор и калий, а доступность этих элементов для растений достигает 75% для азота и 50% для фосфора.

Удобрение содержит гуминовые кислоты, которые улучшают структуру почвы и помогают удерживать влагу. Его можно вносить раз в два-три года вместо ежегодного внесения обычного навоза. Установка мобильная — ее можно перевозить между фермами. Это удобно для средних хозяйств, которым не нужна большая стационарная биогазовая станция.

Общий вид мобильной биогазовой установки. 1 — ферментатор; 2 — электрическая мешалка рамного типа; 3 — крышка ферментатора; 4 — газгольдер малый (водяной затвор); 5 — электроконтактный манометр; 6 — переключатель теплоэлектронагревателя; 7 — биметаллический термометр; 8 — теплоэлектронагреватель; 9 — термоэлектрический преобразователь; 10 — регулятор температурного режима, 11 — сливной кран биоудобрения; 12 — микроконтроллер; 13 — счетчик метана; 14 — табло счетчика; 15 — тихоходный компрессор; 16 — подставка
/ © Пресс-служба Казанского ГАУ

Конструкция защищена тремя патентами России. Система автоматически контролирует температуру, давление и процесс газообразования. Эксперименты показали важную деталь — температура выше 55°C снижает эффективность, поэтому точный контроль критически важен.

Разработка дает фермерам энергетическую независимость. Биогаз можно использовать для отопления, выработки электричества или заправки техники. Удобрения снижают затраты на покупку минеральных подкормок. Одновременно решается проблема утилизации отходов без вреда для окружающей среды.