Әдебиет
1 Қуанышбаева М.Ғ. Бунақденелілер класы (оқу құралы). - Семей, 2009.-50 б.
2 Түсіпова К.С. Омыртқасыздар зоологиясы (оқулық). – Алматы: Ы.Алтынсарин атындағы Қазақтың
білім академиясының Республикалық баспа кабинеті. ІІ бөлім.1999.-336б.
3 Омыртқасыздар зоологиясы пәнінен студенттердің өз бетінше дайындалуына арналған оқу
құралы/Салина Р.М., Дәуітбаева К.Ә., Сатыбалдиева Г.Қ, Исадықов Н.С. – Алматы: Қазақ
университеті, 1999-200 б.
Түр атауы
Жұмыртқа түтігінің саны
1.
Nephrotoma bispinosa
2.
Chrysops relictus
3.
Timia erythrocephala
4.
Orellia euura Hering.
5.
Musca domestica
6.
Muscina assimilius
7.
Musca meridiana
8.
Fannia canicularis
9.
Lucilia sericata
10.
Sarcophaga carnaria
11.
Acanthocnema glaucescens
430 +/- 12.9
268 +/- 19.05
115 +/- 2.9
134 +/- 1.9
130 +/- 5
98 +/- 2.4
60 +- 3.4
120 +/- 4
219 +/- 2.6
90 +/- 4.4
160 +/- 2.7
106
В статье приведены морфологические особенности и строение женских половых желез у
двукрылых насекомых Семипалатинского региона. Определено и изучено яйцевые трубочки у 11
видов насекомых, относящихся к 7 семействам отряда двукрылых.
To the article morphological features and structure of woman sexual glands are driven for the two-
winged insects of the Semey region. Egg tubes are certain and studied at 11 types of the insects related to 7
families of detachment two-winged.
ӘӨЖ 595.772(574.42)
А.Ж.
Нурсафина, Қ.Ф.Серіков
Шәкәрім атындағы Семей мемлекеттік университеті, Семей қ.
ТАРБАҒАТАЙ АУДАНЫНДА КЕЗДЕСЕТІН ҚОСҚАНАТТЫ БУНАҚДЕНЕЛІЛЕРДІҢ
(DIPTERA)ТҮРЛІК ҚҰРАМЫ ЖӘНЕ ТІРШІІЛІК ОРТАСЫНДАҒЫ БЕЙІМДЕЛУШІЛІКТЕРІ
Бунақденелілердің 15тұқымдасына жататын 38түрі анықталды. Оның ішінде 14 түрі
Тарбағатай ауданы үшін алғашқы рет анықталып отыр.Бұл жұмыстың ғылыми-теориялық негізі
диптерофаунаның бір жүйеге келтірілуі. Зоофильді және синантропты түрлер бойынша
мәліметтер толықтырылған.
Түйінді сөздер: Фитофагтар, синантроптар, зоофильді түрлер.
Бунақденелілер класының ішінде ең көп таралған, әрі маңызды отрядтарының бірі
– қосқанаттылар отряды болып табылады (Insecta: Diptera). Қосқанаттылар ұсақ немесе орташа
мөлшерлі, тіршілік формалары әртүрлі бунақденелілер. Қосқанаттылардың 80000-ға жуық
түрлері сипатталған. Олар екі отряд тармағына біріктіріледі: ұзынмұрттылар (Nematocera) және
қысқамұрттылар (Brachycera). Отрядта барлығы 130-дан астам тұқымдас бар деп саналады.
Қосқанаттылар барлық жерде кең таралған, әсіресе орманды аймақтарда көп кездеседі.
Пайдалы бунақденелілер ретінде олар өсімдіктердің шырынымен қоректеніп, оларды
тозаңдандырушылар, топырақ түзушілер, санитарлар, сонымен қатар, паразиттік және
жыртқыштық тіршілік етіп зиянды бунақденелілердің санын азайтып отыруға
қатысады[1].Қосқанаттылар отрядына жататын бунақденелілердің бір тобы адамның және
жануарлардың қанын сорып қоректенеді: мысалы, қансорғыш масалар, үнсіз масалар, соналар,
шіркейлер, қансорғыш шыбындар. Олар, сол сияқты әртүрлі аурулардың қоздырғыштарын
таратушылары болып табылады[2].Қосқанатты бунақденелілерді зерттеуде олардың түр
құрамы, биотоптағы ролі, қансорғыштардың санын азайтудағы күрес жолдарын қарастыруда
энтомологтар алдында көптеген мәселелер тұр. Қосқанаттылар бунақденелілер
биотехнологиясында пайдаланылатын негізгі топ және өсімдіктерді қорғауда химиялық
жабдықтарды және биопрепараттарды сынау объектісі де болып табылады. Қосқанаттылар
отряды құрлықтың барлық экожүйелерінде кездеседі және маңызды роль атқарады. Семей
өңірінің территориясында кездесетін қосқанаттылардың түр құрамы бойынша мәліметтер аз
кездеседі. Қосқанаттылар бойынша зерттеу жұмыстары негізінен қансорғыш және мал
шаруашылығына зиян келтіретін түрлерге арналған[3].
Тарбағатай ауданында кездесетін қосқанаттылар отрядының 15 тұқымдасына
біріктірілетін 38 түрі сипатталды. Соның ішінде қосқанаттылардың 4 тұқымдасына жататын
14 түрі Тарбағатай ауданы үшін алғашқы рет анықталып отыр.
107
Зерттелген қосқанаттылар отрядының тұқымдастары мен түрлерінің тізімі
Тұқымдастар
Түрлер
I.Nematocera
1. Tipulidae - Ұзынаяқтылар
1.
Nephrotoma bispinosa
Alexander
II. Brachycera
2. Tabanidae - Соналар
2. Chrysops relictus Mg
3. Tabanus bovinus Lw.
4. Tabanus bifarius L.
5. Atylotus rusticus L.
6. Atylotus aggrestis Wd.
3. Asilidae - Ктырь
7. Machimus juntus Beak
8. Laphria gibossa L.
9. Leptogaster cilinhdrical Degeer
10. Leptogaster guttiventris Ztt.
11. Diocteria lata Lw.
12. Diocteria lateralis Mg.
13. Holopogen nigripennis Mg.
14. Asilus picpes Mg.
15. Nemochtherus graminicola Lehr
4. Bombyliidae
16. Bombylius medius L.
17. Bombylius ater Scopoli
18. Hemipenthes morio L.
5. Syrphidae- Гүл шыбындары
19. Syrphus ribessi L.
20. Eristalis tenax
21. Myathropa florae Lw.
6. Musicdae- Нағыз шыбындары
22. Musca domestica L.
23. Musca meridiana L.
24. Muscina assimilius Fll.
25. Fannia canicularis L.
7. Calliphoridae – Көк ет шыбындары
26. Lucilia caesar L.
27. Lucilia sericata
8. Sarcophagidae – Сұр ет шыбындары
28. Brachicoma devia Fll.
29. Sarcophaga carnaria L.
9. Otitidae
30. Ceroxys munda Lw.
10. Ulididae
31. Timia erythrocephala Wd.
11. Tephritidae - Пестрокылкы
32. Orellia euura Hering.
12. Anthomyiidae - Цветочницы
33. Acroptena divisa Mg.
34. Leucophora buccata Fll.
13. Scatophagidae
35. Acanthocnema glaucescens Lw.
14.Tachinidae - Тахиналар
36. Tachina grossa L.
37. Novickia ferox Panz
15. Conopidae
38. Physocephala nigra Degeer
Бұл зерттеу жұмысының ғылыми-теориялық маңызы жергілікті аймақтың
диптерофаунасының бір жүйеге келтірілуі. Қосқанаттылардың экологиясы бойынша
зоофильді, синантропты түрлер бойынша мәліметтердің толықтырылуы.Бұл түрлер экологиясы
және биотоптағы таралуы бойынша ерекшеленеді. Олар барлық жерде кең таралғандықтан
қорек көздері де алуан түрлі болып келеді. Соналар тұқымдасының аналықтары қансорғыштар
болса, ал аталықтары гүл шырындарымен қоректенеді. Asilidae тұқымдасына жататын түрлердің
көбі жылдам ұшатын, қорегін іздестіруде активтілігі жоғары болып келетін жыртқыш-
энтомофагтар. Гүл шыбындары тұқымдастары көбінесе гүлдің маңайында, ашық алаңдарда жиі
кездесетін фитофагтар. Оларды бау-бақшалардан жиі кездестіруге болады. Нағыз шыбындар, көк
ет шыбындары және сұр ет шыбындары тұқымдастарының өкілдері адамның мекен-жайында
жиі кездестіруге болатын синантроптар. Олар көбінесе ыдыраған заттармен қоректенетін
сапрофагтар. Сонымен қатар, адам мекен ететін жерлердің барлығында таралғандықтан көптеген
108
аурулардың қоздырғыштарын таратушылар. Otitidae, Ulididae, Tephritidae тұқымдастарының
түрлері өсімдік гүлдерінде немесе жеміс ағаштарының жапырақтарында, бұталарында да
кездеседі. Anthomyiidae және Scatophagidae тұқымдастарының өкілдерін ағаш бұталарынан,
жапырақтан, шірінді заттардан, мал көңдерінде кездестіруге болады. Tachinidae
тұқымдастарының түрлері көп жағдайда жыртқыштар, яғни энтомофагтар. Тахиналардың ішінде
сол сияқты өсімдік маңайында жүретіндері бар. Conopidae тұқымдасына жататын түр өкілдері
ашық жерлерде, шалғындықтарда тіршілік етеді. Зерттелген қосқанаттылардың 18% -
синантропты түрлер, 35% - зоофильді, 22% - бау-бақшалардағы фитофагтар, 25% - шалғындықтарда,
өсімдік маңайында кездесетін фитофагтарды құрайды.
Әдебиет
1 Қуанышбаева М.Ғ. Бунақденелілер класы (оқу құралы). - Семей, 2009.-50 б.
2 Түсіпова К.С. Омыртқасыздар зоологиясы (оқулық). – Алматы: Ы.Алтынсарин атындағы Қазақтың
білім академиясының Республикалық баспа кабинеті. ІІ бөлім.1999.-336б.
3 Омыртқасыздар зоологиясы пәнінен студенттердің өз бетінше дайындалуына арналған оқу
құралы/Салина Р.М., Дәуітбаева К.Ә., Сатыбалдиева Г.Қ, Исадықов Н.С. – Алматы: Қазақ
университеті, 1999-200 б.
Определено и изучено 38 видов насекомых, относящихся к 15 семействам отряда двукрылых.
Из них 14 видов двукрылых впервые определены для Тарбагатайского региона. Научно-
теоретическое
значение
работы
характеристика
и
систематизация
диптерофауны
Тарбагатайского региона. Дополнены материалы по зоофильным и синантропным видам двукрылых.
38 species of the insects belonging to 15 families of group of flies are defined and studied. From
them 14 types of flies are defined for the first time for the Tarbagatai region. Scientific-theoretical value of
work characteristic and ordering dipterofauna Tarbagatai region. Materials by zoofilny and sinantropny
types of flies are added.
УДК 628.336.6
Ж.К.
Бахов
1
, В.Г. Некрасов
2
, К.У.
Коразбекова
1
1
Южно-Казахстанский государственный университетим. М.Ауэзова, г.Шымкент
2
Актюбинский государственный университет им.К.Жубанова, г.Актобе
ЭФФЕКТИВНОСТЬ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ
БИОМАССЫ В БИОГАЗ И ДРУГИЕ ПОПУТНЫЕ ПРОДУКТЫ
Проанализированы подходы к оценке эффективности использования процесса анаэробного
брожения для переработки навоза КРС и свиней. При этом предлагается использовать не только
эффект от получения топлива – биогаза, но и природоохранные эффекты, эффекты от получения
попутных продуктов – комплексных органических удобрений и кормовых белково-витаминных
добавок.
Ключевые слова: анаэробное брожение, биогаз, навоз КРС и свиней, оценка эффективности
переработки.
Биомасса – самая дешевая и крупномасштабная форма аккумулируемой и возобновляемой
энергии. Ежегодный прирост биомассы на Земле составляет более 200 млрд. т, что эквивалентно
3?10
21
Дж энергии. Эта величина примерно в 10 раз превышает годовое потребление энергии всем
человечеством на земле.
Системы преобразования энергии биомассы для получения топлива, пригодного для простого
преобразования в электрическую, тепловую энергию достаточно разнообразны. Несмотря на это все
методы и технологии трансформирования биомассы в жидкое или газообразное топливо имеют
большой резерв для совершенствования. Производство биогаза предоставляет возможность недорого
утилизировать органические отходы в биогазовых установках с пользой для сельского хозяйства [1-
3].Во многих случаях установки для анаэробной переработке биомассы, в качестве которой в
109
настоящей работе рассматривается навоз сельскохозяйственных животных и птиц, называют
«биогазовыми», подразумевая, что они предназначены для получения газового топлива – биогаза.
Надо отдать должное, что эта технология в сельскохозяйственном производстве появилась именно по
причине получения топлива. Накопленный опыт эксплуатации установок анаэробной переработки
навоза показывает, что они обладают природоохранным эффектом, обеспечивая переработку навоза
при снижении потерь опасных веществ, в первую очередь, азота. Установки анаэробной переработки
позволяют уничтожить патогенную микрофлору, способствуя стерилизации продуктов переработки
биомассы. На практике встречается прямое использование навоза и помета птиц в качестве топлива,
т.е. в качестве заменителя относительно дешевого твердого топлива (дрова, уголь, торф). В то же
время, биогаз является топливом более высокого качества, которое может заменять не только газовое
топливо (природный газ или пропан), но и использоваться в качестве моторного топлива в двигателях
внутреннего сгорания для силового привода или производства электроэнергии.
В таблице 1 приводятся результаты расчета повышения стоимости топлива, когда биогаз
рассматривается как заменитель жидкого топлива, по сравнению с вариантом прямого сжигания
высушенного навоза. В расчетах использован подход, при котором навоз сравнивается по цене с
эквивалентным, по теплотворности, количеством угля при цене 10 долл./т, а биогаз рассматривается
как заменитель жидкого нефтяного топлива, при его цене 0,3 долл./л. Данные приводятся из расчета
на одну голову сельскохозяйственных животных (крупный рогатый скот, свиньи) или птиц (куры).
Из результатов расчета следует, что хотя в биогаз переходит только определенная часть
энергии первичной биомассы от 26 до 54 %, за счет разной стоимости замещаемого жидкого топлива
по сравнению со стоимостью твердого топлива происходит повышение стоимости топлива в 3,85,
6,2 и 7,5 раза. В большинстве случаев при рассмотрении установок анаэробной переработки
биомассы, которые требуют поддержания необходимого температурного уровня в реакторе (35
о
С
при мезофильном режиме, 55
о
С при термофильном режиме), получаемый в процессе переработки
биогаз может быть использовано для подогрева субстрата.
Таблица 1 Структура эффекта установок анаэробной переработки отходов животноводства (в % от
полного эффекта)
Составляющи
е эффекта
При использовании продукта
переработки на удобрение почвы
При использовании продукта
переработки на белково
-витаминные
кормовые добавки
КРС
Свиньи
Куры
КРС
Свиньи
Куры
Топливо
27,98…15,56
37,66…44,54
42,76…42,28
21,00…12,78
19,15…31,29
18,62…23,93
Использова-
ние твердого
продукта
71,05…16,6 61,52…30,6 56,49…26,9 78,21…31,5
80,44…51,2
81,00…63,8
Природо-
охранный,
в т.ч.:
-снижение
химического
загрязнения
почвы, воды;
-исключение
загрязнения
почвы, воды
патогенной
микрофлорой;
-исключение
загрязнения
атмосферы.
0,97…67,82
0,83…3,14
0,10…0,39
0,04…64,29
0,81…25,28
0,73…5,63
0,08…0,70
0,0002..18,5
0,76…24,78
0,68…5,08
0,015…0,12
0,06…19,58
0,73…55,75
0,62…2,58
0,08…0,32
0,03…52,85
0,41…17,46
0,36…3,95
0,04…0,5
0,01…13,01
0,33…12,28
0,30…2,52
0,007…0,06
0,02…9,70
110
Результаты расчета энергетического потенциала получаемого биогаза и необходимых затрат
энергии для поддержания необходимого температурного режима в биореакторе для различных
климатических зон и при различной загрузке реактора биогазовой установки приведены в таблице 2.
Таблица 2 Результаты расчета теплового баланса биогазовых установок при работе их в
различных климатических зонах
Вид навоза
животных
Содер
-
жание
СОВ,кг/м
3
Удельный
выход био
-
газа м
3
/м
3
Энергия
биогаза
,
ГДж/м
3
Средний расход тепла (ГДж/м
3
) на
собственные нужды в зависимости
от климатических зон
1
2
3
4
КРС
100
80
60
40
17,1
20,1
18,2
21,2
11,0
13,0
9,0
10,6
0,393
0,462
0,419
0,488
0,253
0,299
0,207
0,244
0,294
0,347
0,214
0,377
0,294
0,377
0,294
0,377
0,160
0,246
0,167
0,246
0,167
0,246
0,167
0,246
0,139
0,216
0,139
0,216
0,139
0,216
0,139
0,175
0,103
0,175
0,103
0,175
0,103
0,175
0,103
0,244
Свиньи
80
60
40
20
20,0
22,0
15,0
17,5
10,0
11,8
5,0
5,9
0,460
0,506
0,345
0,403
0,230
0,270
0,115
0,136
0,266
0,351
0,266
0,341
0,266
0,351
0,266
0,351
0,154
0,233
0,167
0,233
0,154
0,233
0,154
0,233
0,130
0,207
0,139
0,207
0,130
0,207
0,130
0,207
0,097
0,169
0,103
0,169
0,097
0,169
0,097
0,169
По полученным данным можно заключить, что биогазовые установки не во всех случаях
самообеспечиваются энергией для поддержания режима, а в ряде случаев они могут испытывать
дефицит энергии. Поэтому, исходя из приведенных выше данных о повышении стоимости
энергоносителя, энергетическую эффективность биогазовых установок следует рассматривать
несколько шире. Иначе говоря, получаемый биогаз не во всех случаях выгодно использовать для
поддержания температурного режима процесса анаэробного брожения биомассы. Иногда может
оказаться так, что предпочтительнее будет обогревать биогазовые установки с использованием более
дешевых видов топлива (например, уголь или другие виды местного топлива). В таких случаях
получаемый биогаз целесообразно использовать для получения более ценной продукции, например,
производства электроэнергии или в других технологических процессах, дающих более высокую
прибыль. Поэтому вопрос о самообеспечении энергией или энергодефицитности биогазовых
установок следует рассматривать не столько по данным потребности тепловых единиц, а сколько по
затратам на это в денежном выражении, так как более ценный биогаз может окупить затраты на
использование для обогрева реакторов более дешевого вида топлива [4, 5].
Сейчас предлагаются различные способы энергообеспечения биогазовых установок, в том
числе
с
использованием
альтернативных
видов
энергии
(солнечной,
ветровой
и
низкопотенциальной). К примеру, солнечные установки с коллекторами позволяют получать водяной
теплоноситель с температурой до 60-70
о
С. Такой температурный уровень дает возможность
использовать их только для горячего водоснабжения, исключая отопление, что ограничивает их
применение. В то же время этот температурный уровень вполне сочетается с технологическими
требованиями подогрева субстрата перед загрузкой в реакторы и поддержания любого
температурного режима в биореакторе. Так, по данным Всероссийского НИИ электрификации
сельского хозяйства (ВИЭСХ) на подогрев поступающего субстрата затрачивается 72% энергии. При
этом 14% энергии затрачивается на компенсацию тепловых потерь реактора, а 3,6% составляют
тепловые потери в технологических трубопроводах. Таким образом, затраты энергии на тепловые
процессы при анаэробной переработке составляют 90%. Оставшиеся 10% энергии - это затраты на
перекачку субстрата, на перемешивание субстрата в реакторе, на выгрузку готового продукта. Как
видно из этого, основные затраты энергии в технологии анаэробной переработки – это подогрев
субстрата и поддержание температурного уровня при его переработке. Поэтому использование для
111
этих целей тепла, полученных от солнечных водонагревательных установок, может существенно
увеличить выход товарного биогаза. В свою очередь, использование такого биогаза для целей,
имеющих большую экономическую эффективность, чем получение теплоносителя для подогрева
навоза и компенсацию тепловых потерь в реакторе, может существенно повысить эффективность
биогазовых установок в целом.Использование солнечных водонагревательных установок может
существенно повысить эффект от использования биогаза, полученного в установках анаэробной
переработки биомассы и, в первую очередь, переработки сельскохозяйственных отходов.Отметим,
что приведенные выше показатели получены при рассмотрении только топливного эффекта от
установки анаэробной переработки навоза. В то же время, эффект от таких систем следовало бы
рассматривать в комплексе, включая природоохранный, а также при использовании переработанного
продукта в качестве высокоэффективного комплексного органического удобрения или кормовых
белково-витаминных добавок. Из практики земледелия известно, что интенсивное и длительное
применение химических минеральных удобрений приводит к деградации почвы, вымыванию гумуса
– органического вещества почвы. Поэтому с этой точки зрения использование органических
удобрений, особенно если они обезврежены и имеют закрепленный азот, весьма перспективны и
эффективны по сравнению с минеральными удобрениями. Другое интересное направление
переработки навоза и помета по анаэробной технологии – это получение белково-витаминных
концентратов, содержащих цианкоболамин (витамина В-12), протеин в виде аминокислот. Таким
образом, эффект от использования технологии анаэробной переработки навоза (или помета) должна
рассматриваться исходя из комплексного использования продуктов анаэробной переработки
биомассы отходов.
В литературе имеется оценка комплексного эффекта для установок анаэробной переработки
отходов животноводства. В нашем же случае, эффективность технологии оценивалась по сроку
окупаемости капитальных вложений. Подход к такой оценке заключается в следующем: при сроке
эксплуатации 20 лет и расходам на текущий ремонт в размере 1% от первоначальных капитальных
вложений, заработная плата персонала, обслуживающего установку составит
Ф=31–3lnV+(3000/V),
где Ф – фонд оплаты труда (заработная плата) в % от капиталовложений,
V – объем реактора, м
3
.
Эксплуатационные издержки (И, тг/год) при этом рассчитываются как:
И = К?( Ф/100+0,05+0,01),
где К – первоначальные капитальные вложения, тг.
В общем виде срок окупаемости (Т
ок
, год) биогазовой установки при условии полного
использования остатка в качестве товарного продукта, определяется следующим образом:
Т
ок
+(180?V )/( А?G+ В?V
б
+Э?G -И),
где G - количество продукта анаэробной переработки за год, т сухого вещества,
V
б
- объем полученного биогаза за год, тыс. куб. м,
Э – экологическая составляющая эффекта, тг/т
сухого вещества переработанного продукта,
А – экон. эффект от использования 1 т сухого вещества анаэробного продукта, тг.
В – экон. эффект от утилизации 1 000 куб. м. биогаза, тг.
На основании проведенных по этой методике расчетов можно оценить эффективность
технологии анаэробной переработки отходов животноводства и птицеводства, на основании которых
делать соответствующие выводы о приоритетности их внедрения в соответствующих хозяйствах.
Использование анаэробной технологии с комплексной переработкой отходов в биогаз, удобрения и
белково-витаминные добавки значительно увеличивают положительные статьи эффекта, сокращает
сроки возврата вложенного капитала, а также увеличивает рентабельность производства.
112
Литература
1 Renewable Energy & Energy Efficiency Partnership (REEEP) // Fresh Wind from Kazakhstan: New
Renewable Energy Law. - 2009.
2 Yang S.S., Liu C.M., Liu Y.L. Estimation of methane and nitrous oxide emission from animal production
sector in Taiwan during //Chemosphere. -2003. -V.52, №8. -P.1381-1388.
3 Stuckey D.C. «Biogas: a global perspective» /In: Biogas Technology, Transfer and Diffusion, M.M. El-
halwagi (ed), Elsevier, New York, U.S.A. -1984. -РР. 18-44.
4 Alastair J.W., Hobbs P.J., Holliman P.J., Jones D.L. Optimization of the anaerobic digestion of agricultural
resources // Bioresour. Technol. -2008, №99. -РР.7928-7940.
5 Chynoweth D.P., Bosch G., Earle J.F.K., Owens J., Legrand R. Sequential batch anaerobic composting of
the organic fraction of municipal solid waste // Water Sci. Technol. -1992, №25. -РР. 327-339.
Ірі қара мал мен шошқа қиын анаэробты ашыту арқылы қайта өңдеудің тиімділігін бағалау
әдістеріне талдау жасалған. Бұл жерде тек қана отын – биогаз алудан келетін пайданы ғана емес,
сонымен қатар табиғат қорғаудан және жанама өнімдер – кешенді органикалық тыңайтқыш пен
жемдік ақуызды-дәрумендік қоспалар алудан келетін тиімділікті ескеру ұсынылған.
Approaches to an performance evaluation of processing of anaerobic fermentation for processing of
cattle dung and hog manure are analysed. It is thus offered to use not only effect from receiving fuel –
manure gas, but also nature protection effects, effects from receiving passing products - complex organic
fertilizers and feed proteinaceous and vitamin additives.
УДК 628.336
Ж.К.Бахов
, К.У.Коразбекова, А.А. Сапарбекова
Южно-Казахстанский государственный университет им. М.Ауэзова, г.Шымкент
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
ПЕРЕРАБОТКИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ОТХОДОВ
Исследован потенциал брожения смешанных субстратов навоза КРС и свиней с различными
органическими субстратами (выжимки винограда, биоотходы, пищевой отход) при температуре
37±0,2
0
С в мезофильном режиме в реакторе периодического действия. Изучены влияние
органических добавок, с точки зрения специфического выхода биогаза и метана. Анализирована
эффективность использования выжимки винограда, биоотходы, пищевой отход для анаэробного
брожения жидкого навоза КРС и свиней.
Ключевые слова: анаэробное брожение, микроорганизмы, биогаз, метан.
Сегодня во всем мире стремительно развиваются технологии альтернативных и
возобновляемых источников энергии, среди которых особое место занимает энергия биомассы [1].
Получение биогаза из биомассы (органических веществ животного и растительного происхождения)
посредством ее анаэробного разложения с участием гидролизных, кислотопродуцирующих,
ацетогенных
и
метанопродуцирующих
бактерий
(рисунок
1)
характеризуется
сериями
биохимических трансформаций [2].
113
Рисунок 1 - Процесс деградации сложных органических компонентов в биогаз
(Gujer&Zehnder)
Основным компонентом биогаза является метан, который образуется в результате
жизнедеятельности метанобразующих бактерий. Метаногены не способны в одиночку преобразовать
органические соединения в метан и углекислый газ, поэтому они взаимодействуют в симбиозе с
кислотообразующими и другими видами бактерий [3]. Эффективность протекания процесса
анаэробного сбраживания биомассы зависит от метаболизма этих бактерий. Для образования клеток
они употребляют такие питательные вещества, как витамины, растворимые соединения азота,
минеральные вещества и микроэлементы. Почти все эти вещества в достаточном количестве
содержатся в жидком и твердом навозе, в сене, кукурузе (свежей или консервированной), остатках
пищи, отходах кухни, внутренностях животных, барде и отходах молочных продуктов. Причем эти
отходы могут бродить в чистом виде без добавления других субстратов.
Целью данной работы является исследование потенциала брожения смешанных отходов навоза
животных с различными органическими субстратами с точки зрения изучения специфического
выхода биогаза и метана для определения влияния состава биомассы на метаболизм
метанобразующих бактерий.
Известно, что микроорганизмы обычно используют углерод и азот в соотношении 25-30:1, но
соотношение C:N часто может быть значительно ниже идеального значения. Например, осадки
сточных вод имеют соотношение C:N примерно 9:1 [4], навоз КРС - 25:2, силосная кукуруза - 137:5,6.
Варьирование соотношения C:N в широких пределах значительно усложняет подбор биореакторов.
Mata-Alvarez в своей работе [5] отмечает, что для субстратов с соотношением C:N менее 20 наиболее
эффективным типом реактора может быть двухступенчатый реактор.
114
Материалы
и
методы
исследования.
Исследования проводились при температуре 37
0
С на
лабораторной «Хоэнхайм» системе тестирования
выхода биогаза Университете Хоэнхайм, Германия.
На рисунке 2 показан 100 мл реактор в виде
стеклянного
шприца
с
пробкой,
оснащенной
отверстием для газоанализа с зажимом.
Образцы в трех повторениях проверялись на
содержание сухого вещества (СВ), органического
сухого вещества (оСВ), золы и влаги. Содержание
влаги, СВ и оСВ были определены согласно APHA-
Стандартные методы [6].
Все тестируемые субстраты весом 30-40 г были
подготовлены в трех повторениях, помещены в 100
мл групповые реакторы, представляющие собой
инкубатор со специальным моторизованным ротором
и шприцами. При непрерывном медленном круговом движении ротора субстрат смешивается
(рисунки 3, 4).
Рисунок 3 - Схематическое изображение
инкубатора «Хоэнхайм» системы тестирования
выхода биогаза
Рисунок 4 - Инкубатор со специальным
моторизованным ротором и шприцами
Для каждого набора повторения были измерены и зарегистрированы объем биогаза и
содержание метана при помощи газового датчика, определяющего содержание метана (%) в биогазе
при достижении объема до 20 мл. Температура инкубатора, давление воздуха, дата и время, на
которой были приняты измерения, были также зафиксированы для производства биогаза в
нормальных условиях (нм
3
/кг оСВ): 273 K и 101325 Па в соответствии с Ludington D. [7]. Содержание
метана была измерена с помощью преобразователя газа модели AGM 10 (датчики Europe GmbH,
Германия) с недисперсионным инфракрасным (NDIR) датчиком, способным обнаружить содержание
метана в биогазе в диапазоне от 0 до 100%. Датчик газа был калибрирован со стандартным газом,
содержащим 60,7% (v) метана.Исследования анаэробного сбраживания навоза КРС и свиней
проводились с добавлением других органических субстратов (биоотходы, пищевой отход и отходы
виноделия). По результатам экспериментов рассчитан специфический выход биогаза и метана для
стандартных условий (273 K и 101325 Па). В конце экспериментов также определяли энергетическую
ценность субстратов с помощью оценки энергетического содержания биогаза. При этом учитывалось
производство биогаза на единицу массы органического вещества (по сухому веществу и без учета
минеральных составляющих материала) и метана в процентах. При этом использовалось уравнение,
описанное в работе Fantozzi F., Buratti C. [8]:
Рисунок 2 - Реактор «Хоэнхайм»
системы тестирования выхода биогаза
1 – стеклянный шприц; 2 – пробка;
3 – субстрат; 4 – отверстие для
газанализа; 5 – зажим для трубок;
6- градуировка; 7 – газовая
115
Нм
3
метан
х φ
метан
х НТС
метан
= Q
где, НТС
метан
- низшая теплотворная способность, 50,000 кДЖ/кг, φ
метан
– плотность метана, 0,715
кг/м
3
CH
4
.
В ходе экспериментов были исследованы 7 проб смеси навозной жижи КРС и свиней с
добавлением отходов виноделия (выжимки), пищевого отхода (объедки) и биоотхода:
1 проба: 40 г навозной жижи КРС
2 проба: 30 г навозной жижи КРС + 0,4 г выжимки винограда
3 проба: 30 г навозной жижи КРС + 2 г объедки
4 проба: 30 г навозной жижи КРС + 0,4 г биоотхода
5 проба: 40 г навозной жижи свиней
6 проба: 30 г навозной жижи свиней + 2 г объедки
7 проба: 30 г навозной жижи свиней + 0,4 г биоотхода
Все эксперименты проводились в мезофильном режиме (37±0,2
0
С), в трех повторениях при 35
дневном ВГУ. Анализы субстратов и смесей показаны в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты анализа субстратов
Проб
ы
Субстраты
СВ (% в
свеж.ма
тер.)
оСВ
(%
в
СВ)
Сред.
содер.
свеж.
матер. [г]
Сред.
содер.
оСВ [г]
Влажност
ь
субстрата
Соотношен
ие
субстратов
(по оСВ)
1
жидкий навоз КРС
3,73
72,14
40
10,8
96,27
2
жидкий навоз КРС
3,73
72,14
30,4
11,5
95,14
70:30
отходы виноделия
89,9
96,15
3
жидкий навоз КРС
3,73
72,14
32
11,6
95,41
70:30
кухонные отходы
18,94
91,20
4
жидкий навоз КРС
3,73
72,14
30,4
11,3
95,07
70:30
биоотходы
95,48
84,12
5
жидкий
навоз
свиней
2,11
64,63
40
5,61
97,89
6
жидкий
навоз
свиней
2,11
64,63
32
7,88
96,84
55:45
кухонные отходы
18,94
91,20
7
жидкий
навоз
свиней
2,11
64,63
30,4
7,43
96,66
55:45
биоотходы
95,48
84,12
Во всех пробах влажность была в среднем 96%, что оптимально подходит для процесса
метаногенеза.
Метановые бактерии могут жить и размножаться только во влажной среде выше 50% и
в отличие от аэробных бактерий, дрожжей и грибов они не могут существовать в твердой фазе. В
пробах с жидким навозом КРС (проба 2,3,4) соотношение добавки по массе оСВ составляет 70:30
процентов, а в пробах с жидким навозом свиней (6,7) соотношение субстратов 55:45 по массе
оСВ.Кривой ежедневного и совокупного выхода метана и процентное содержание в среднем по 3
повторениям для каждой пробы показан на рисунках 5, 6 и 7, соответственно.
116
Рисунок 5 - Ежедневный специфический выход метана
Рисунок 6 - Совокупный специфический выход метана
Рисунок 7 - Содержание метана в биогазе, процент
Проба 1 из жидкого навоза КРС показал максимальное производство метана между 12 и 25
днями, ежедневно образуя в среднем 0,02 Нм
3
/кг оСВ метана. Заключительный совокупный выход
метана при этом составил 0,330 Нм
3
/кг оСВ. Максимальное процентное содержание метана было
равно 73,3%. Интенсивное производство метана наблюдался с 15 дня по 31 день (средний
ежедневный выход метана 0,012 Нм
3
/кг оСВ). Кривой совокупного выхода метана имеет значение
0,277 Нм
3
/кг оСВ выхода метана. Следует отметить, что на 22-й день процент выхода метана
увеличился до 70,9%.
В экспериментах со смесью жидкого навоза КРС с добавками объедков и биоотходов
наблюдался очень позднее интенсивное производство метана, начиная с 19-го дня. До 20-го дня ВГУ
образовался только 0,03 Нм
3
/кг оСВ метана. До конца этого запуска вообще образовался 0,148 и
0,250 Нм
3
/кг оСВ метана с максимальным содержанием метанаа 71,9 и 73 %, соответственно в 3 и 4
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0,045
0
5
10
15
20
25
30
35
вы
хо
д
м
е
та
н
а
(Н
м
3
/к
г
о
С
В
)
дни
проба 1
проба 2
проба 3
проба 4
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0
5
10
15
20
25
30
35
в
ы
х
о
д
ме
т
а
н
а
(
Н
м3
/к
г
о
С
В
)
дни
проба 5
проба 6
проба 7
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0
5
10
15
20
25
30
35
в
ы
х
о
д
м
ет
ан
а
(Н
м
3
/к
г
о
СВ
)
дни
проба 1
проба 2
проба 3
проба 4
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0
10
20
30
в
ы
х
о
д
м
ет
ан
а
(Н
м
3
/к
г
о
С
В
)
дни
проба 5
проба 6
проба 7
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
5
10
15
20
25
30
35
со
д
е
р
ж
ан
и
е
м
е
та
н
, %
дни
проба 1
проба 2
проба 3
проба 4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
5
10
15
20
25
30
35
со
д
е
р
ж
ан
и
е
м
е
та
н
, %
дни
проба 5
проба 6
проба 7
117
пробе (рисунок 7). В экспериментах с жидким навозом свиней (пробы 5, 6, 7) максимальное
ежедневное образование метана наблюдался через 20-25 дней запуска анаэробного брожения.
Отдельное брожение жидкого навоза свиней (проба 5) показал более высокий выход метана
(совокупный специфический выход метана 0,275 Нм
3
/кг оСВ), чем в пробах 6 и 7, соответственно
0,102 Нм
3
/кг оСВ и 0,121 Нм
3
/кг оСВ.
В работах с жидким навозом свиней, максимальное образование метана начинается с 20-го дня.
В среднем ежедневно образуется 0,02 Нм
3
/кг оСВ метана, а процентное содержание метана
увеличивается до конца 35 дневной ВГУ до 77,8%. Ежедневное образование метана было 0,01 Нм
3
/кг
оСВ метана (с 28-го дня) и 0,007 Нм
3
/кг оСВ метан (с 30-го дня), а максимальное содержание метана
было равно 70,9% (на 32,5 день) и 70,5% (31,5 день), соответственно в пробах 6 и 7 (рисунок 7).
В таблице 2 приведен анализ результатов всех проб. Самый высокий выход биогаза показала
проба 1 (отдельное брожение жидкого навоза КРС (0,520 Нм
3
/кг оСВ). Самый высокий процент
метана (77,8%) было зафиксировано в эксперименте с жидким навозом свиней. Максимальный
выход метана зафиксирован в пробе 1, 2 и 5, соответственно 0,330, 0,277 и 0,275 Нм
3
/кг оСВ. Самая
низкая энергетическая ценность (с учетом НТС) зарегистрирована в количестве 10,2 кВт-ч/кг оСВ в
пробе 6, где были сброжены жидкий навоз свиней с объедками.
Таблица 2 - Производство биогаза, выход метана и энергетическая ценность биогаза
Пробы
Субстраты
Биогаз
(Нм
3
/кг
оСВ)
Метан
(v/v%)
Метан
(Нм
3
/кг
оСВ)
Энергетическ
ая ценность
(кВт-ч/кг
оСВ)
1
навозная жижа КРС
0,520
73,3
0,330
32,7
2
навозная жижа КРС
+ выжимки
0,468
70,9
0,277
27,5
3
навозная жижа КРС
+ объедки
0,308
71,9
0,148
14,7
4
навозная жижа КРС
+ биоотход
0,444
73
0,250
24,7
5
навозная жижа свиней
0,444
77,8
0,275
27,3
6
навозная жижа свиней
+ объедки
0,253
70,9
0,102
10,2
7
навозная жижа свиней
+ биоотход
0,268
70,5
0,121
12
Если сравнить анаэробное моноброжение жидкого навоза КРС и свиней (пробы 1 и 5), процесс
метаногенеза в пробе 1 происходить быстрее и интенсивное образование метана происходить с 12-го
дня, а в пробе 5 через 20 дней. Это объясняется тем, что КРС, как жвачные животные, благодаря
особой флоре желудка, содержащей среди прочих и метановые бактерии, а также длинному
кишечному тракту и сильному измельчению легко перевариваемых веществ, потребляет существенно
большее количество сырой клетчатки, хотя содержат больше углеводов, чем полимеров. Поэтому,
процесс брожения протекает быстрее, но процент метана ниже, чем из навоза свиней из-за более
низкой энергетической ценности навоза КРС.Свиньи известны своим плохим перевариванием корма,
что вызвано однокамерным желудком и коротким кишечником. Поэтому выход газа существенно
выше, чем у КРС из-за чего, их навоз содержит большой объем до конца неразложенных питательных
веществ. Кроме того, в навозе свиней содержатся больше жира и протеинов, что способствует более
высокому содержанию метана в биогазе.
В экспериментах с добавлением пищевых отходов (объедки) и биоотходов, производство
биогаза и метана меньше, чем в других пробах, за счет быстрого протекания гидролиза и ацидогенеза
и состава добавок. Все полученные данные сопоставимы со значениями в литературе для нескольких
типов биомассы, как показано в таблице 3.
118
Таблица 3- Выход метана по литературным данным
Вид сырья
Метан (Нм
3
/кг оСВ)
Литература
Навоз КРС
0,144
Kryvoruchko V., et al.
Навоз быка
0,04
Fantozzi F., Buratti C.
Навоз свиней
+ куриный помет
0,13
Навоз КРС
0,251
Li J., et al.
Навоз свиней
0,356
Alastair J.W., et al.
Навоз КРС
0,148
Навоз КРС
0,247
Rodrigo A., et. al.
В заключении можно отметить, что выжимки винограда, биоотходы и кухонные отходы
(объедки) хорошо подходят для анаэробного брожения с жидким навозов КРС в соотношении 75:25.
Как показали анализ полученных результатов, в производстве биогаза и процентном содержании
метана не настолько различны, а максимальный выход метана составляет 71,5%. Специфический
выход метана ниже в пробе 3, что показыает на недостаточное ВГУ. Добавление кухонных и
биоотходов в жидкий навоз свиней, дает возможноть увеличить процент метана в биогазе. Это
показывают пробы 5, 6 и 7, где достигнуты приемлемый максимальный процент метана, но
производство биогаза и метана оказалось меньше, чем в моноброжении свиного навоза.
Литература
1.
Deublein D., Steinhauser A. Biogas from Waste and Renewable Resources. Germany, 2008. -423 p.
2.
Gujer W., Zehnder A. J. B. Conversion Processes in Anaerobic Digestion. Water Science and
Technology. 1983. Vol. 15. -рр. 127 – 167.
3.
Коразбекова К.У., Бахов Ж.К. Интенсификация выхода метана при переработке животноводческих
отходов // Научные труды ЮКГУ. 2013. №1.
4.
Kizilkaya R., Bayrakli B. Effects of N-enriched sewage sludge on soil enzyme activities. Applied Soil
Ecology. 2005. Vol.30. -рр.192–202.
5.
Mata-Alvarez J. Biomethanization of the Organic Fraction of Municipal Solid. Wastes. IWA Publishing.
2002.
6.
APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. - Washington DC, 1995. -53 p.
7.
Ludington D. Calculating the Heating Value of Biogas. DLtech, Inc. Ithaca NY, 2006. Available from:
Достарыңызбен бөлісу: |