Экологизация сельскохозяйственного производства – условие достижения экологической, энергетической, продовольственной и климатической безопасности

Современная биоэнергетика, основанная на высокоэффективных технологиях преобразования биомассы в удобные для использования виды энергии (электроэнергию, жидкие и газообразные топлива и подготовленное твердое топливо), занимает все более заметное место в энергетическом балансе многих стран мира. В Австрии доля биотоплива в энергетике – 20%, в Финляндии – 23%. В целом по Европейскому союзу эта доля составляет около 14%. В Индии осуществляется программа децентрализации производства энергии, призванная обеспечить 44% энергии от биоресурсов. Доля биомассы в энергобалансе развивающихся стран составляет 35%, в мировом потреблении энергоресурсов – 12%, в России – 5%.

Существенную часть биомассы потенциально пригодной для выработки энергии составляют органические отходы. Насчитывается более 30 категорий таких отходов, возникающих на этапах производства и переработки пищевых и вкусовых продуктов, кормов, растительных и животных жиров. К этим категориям относятся также отходы боен, отходы переработки рыбы и морепродуктов, фекалии животных и человека, осадки сточных вод.

Количество органических отходов, возникающих на разных этапах производства и потребления продуктов питания, по оценкам выполненным в соответствии с официальной продовольственной корзиной, составляет порядка 3 тонн на душу населения в год. Их удельный энергетический потенциал составляет не менее 9000 кВт-ч/чел в год, что почти вдвое превышает годовой душевое потребление энергии ~ 5000 кВт-ч/чел в год. (Схема 1).

Схема 1.

Рис: Чумаков А.Н., Ильин В.К. Биомасса отходов – энергетический резерв поселений // Альтернативная энергетика №4 2007.

Вопросы масштабной переработки отходов сельского и жилищно-коммунального хозяйства в товарные продукты и энергию становятся приоритетными при обеспечении экологической, энергетической и продовольственной безопасности на региональном, национальном и общемировом уровнях.

Во многих странах приняты или разрабатываются программы по развитию различных технологий переработки сельскохозяйственных отходов, в том числе наиболее прогрессивной и экологически приемлемой технологии анаэробной переработки сельскохозяйственных отходов с получением метана и органоминеральных удобрений как для собственных нужд сельхозпроизводителя, так и для поставки на внешние рынки.

Доступный энергетический потенциал

Годовой объем отходов животноводства в России составляет не менее 240 Мт. Энергия, которая может быть выработана из указанного количества отходов, составляет не менее 290 ТВт-ч, что составляет около 23% в энергобалансе России и почти в полтора раза превышает аналогичный вклад от всех действующих в России атомных электростанций.

Несмотря на то, что в России пока не принята действенная программа развития возобновляемой энергетики на основе использования потенциала сельскохозяйственных отходов ряд фирм освоили производство единичных образцов оборудования для анаэробного производства биогаза и органоминеральных удобрений из навоза крупного рогатого скота, свиней, помета птицы. Вместе с тем предлагаемое в настоящее зарубежное и отечественное оборудование из-за низкой скорости проведения процесса обеспечивают переработку за длительное (~ недели) время, что резко увеличивает реакционные объёмы, металлоёмкость оборудования и, соответственно размер капитальных затрат.

Для преодоления этих недостатков в России под эгидой межрегиональной экологической организации Зелёный Крест проводятся масштабные работы, направленные на создание форсированной, экономически рентабельной и экологически безотходной системы переработки сельскохозяйственных отходов в энергию, органоминеральные удобрения, биомассу и гумус почв.

В основе метода, развиваемого Зелёным Крестом, лежит комплекс технологических решений и приёмов, в числе которых: предварительная подготовка перерабатываемой биомассы, особая конструкция реактора-метантенка, позволяющая проводить переработку в режиме «on line» в течении одних суток, а также рациональное использование органоминерального потенциала продуктов переработки для получения дополнительных объёмов биомассы, которая затем используется в цикле как кормовая добавка и/или энергетический концентрат при производстве биогаза.

Сельскохозяйственное производство признанно одним из главных загрязнителей территорий. Особенно неблагоприятное воздействие на экологическую обстановку оказывают животноводческие фермы. Жидкие стоки из навозохранилищ отравляют поверхностные и грунтовые воды, земельные угодья, убивают почвенную флору и фауну, загрязняют атмосферный воздух, неприятные запахи ухудшают условия проживания и снижают кадастровую стоимость земельных участков, прилегающих к фермам. Кроме того, качество и плодородие почв ухудшается из-за многолетнего внесения минеральных удобрений и ядохимикатов.

Разработчики проекта предлагают осуществить на базе одного или нескольких эффективно действующих сельхозпредприятий пилотный проект, в котором в единой технологической цепочке согласуются растениеводство, животноводство, питомник почвенных организмов, переработка сельхозотходов в органоминеральные удобрения и биогаз, с получением электроэнергии, тепла и моторного топлива для полного удовлетворения собственных нужд, в том числе при переработке сырья в конечные продукты потребления.

Такой прецедент необходим для демонстрации на практике повышения эффективности сельхозпроизводства с использованием предлагаемого метода Зеленого Креста, как нового направления в экологии, энергетике и передового сельхозпроизводства, призванного в обозримом будущем в едином пакете способствовать укреплению продовольственной, экологической, энергетической и климатической безопасности регионов России.

Предлагаемая комплексная переработка навозных стоков и других отходов сельскохозяйственного производства позволяет полностью устранить их вредное влияние на окружающую среду и получить одновременно дешевую энергию и эффективные органоминеральные удобрения. В совокупности использование подобной переработки позволяет повысить рентабельность сельхозпроизводства путем снижения его зависимости от тарифов на энергию и удобрения, повышения конкурентоспособности на рынке продовольственных товаров за счет выпуска экологически чистых и полезных для здоровья населения продуктов питания по научно обоснованным нормам и доступным ценам.

Внедрение предлагаемых биогазовых технологий обеспечивает полную утилизацию и безотходную, экологически чистую переработку органических отходов сельскохозяйственного производства. Это позволяет хозяйству: во-первых, получить собственные автономные источники энергии, во-вторых, сократить зависимость от дорогостоящих и экологически проблемных минеральных удобрений и заменить их на высокоэффективные органоминеральные удобрения для восполнения плодородия почв как тактической меры и использования вырабатываемого гумуса для неуклонного повышения плодородия пахотного клина как стратегической меры повышения его капитализации.

В традиционных технологиях получения биогаза происходит при бактериальной переработке исходного сырья в анаэробных (без доступа воздуха) условиях. Под воздействием бактерий сложные органические вещества растительного и животного происхождения разлагаются до биогаза с содержанием метана СН4 (55-80%), углекислого газа СО2 (45-20%). Время обработки массы составляет от 7 до 30 суток.

В процессе переработки в биогаз переходит до 40-50% органических веществ. Одновременно в процессе переработки образуется жидкий и твердый остатки, которые, как показали результаты исследований, можно с успехом использовать в качестве соответственно: жидкого органоминерального удобрения и консистентного сырья для получения гумуса.

При анаэробном сбраживании в течение 3 дней происходит уничтожение возбудителей заразных заболеваний, яиц гельминтов и неприятного запаха. По сравнению с традиционным компостированием навоза предлагаемый метод позволяет полностью сохранить в получаемом удобрении азот, фосфор и калий при гарантированном отсутствии нитратов, болезнетворных микробов, возбудителей болезней, яиц гельминтов, грибков, спор, остатков корней и семян сорняков, вызывающих засорение почв.

Таблица 1 Балансы переработки навоза КРС в энергию и удобрения

Анаэробная переработка навоза от 200 коров позволит получать в год до 147 тыс. м3 биогаза. Из которого можно выработать не менее 588 МВт-ч электроэнергии и не менее 706 МВт-ч тепла, что позволит перерабатывающему предприятию за счет использования собственной энергии сэкономить не менее 1 млн. руб. в год.

Кроме того, анаэробная переработка навоза позволяет существенно улучшить экологическую и санитарно-эпидемическую обстановку в хозяйствах, а именно:

• устранить эмиссию неприятных запахов при получении и хранении отходов (дезодорация);
• предотвратить грибковые заражения (контаминацию);
• предупредить заражение людей и животных возбудителями болезней (дезинфекция);
• предотвратить перегрузку почвы, воды и растений вредными веществами (девитализация).

Доступный органоминеральный потенциал

В процессе переработки в жидком субстрате накапливаются гуминовые соединения, способствующие структурированию почвы, повышению ее механохимических плодородных качеств, и образуются экологически чистые органические удобрения, лишенные патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, нитратов и нитритов. Для удобрения одного гектара пашни или садов и огородов достаточно вносить от одной до полутора тонн таких удобрений. Результаты опытов, проведенных совместно со специалистами Тимирязевской сельхоз академии доказывают, что применение данных удобрений позволяет полностью отказаться от экологически опасных минеральных удобрений, на производство которых тратится до 45% электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством России. Исключается также использование ядохимикатов, что существенно повышает экологическую чистоту сельскохозяйственной продукции. При этом урожайность повышается в полтора-два раза в зависимости от выращиваемых культур и исходного состояния почвы (Таблица 4).

Табл. 4. Экспериментальные данные о повышении урожайности некоторых культур при применении жидких органоминеральных удобрений.

Использование полученных удобрений на культивированных пастбищах, под кукурузу, клевер-тимофеевку, рожь. люцерну, а также тепличные культуры - салат, редис, помидоры показывают их высокую эффективность. На тепличных культурах во всех случаях увеличение урожайности составляет ~ 64%, на травах до 3 укосов.

Органоминеральные удобрения, которые получают по методу Зелёного Креста, универсальны и могут применятся на любых почвах и под любые культуры; полностью обеспечивают растения макро- и микроэлементами в легкоусвояемой форме, способствуют сокращению сроков вегетации в среднем на 2 недели и соответственно повышают урожайность по всем культурам; технологичны и экономичны – при внесении их разбавляют водой и вносят, используя стандартные технологии и оборудование для полива. Удобрения позволяют получать экологически чистую продукцию органического и/или функционального качества.

Реализация Метода Зеленого Креста

Для реализации предложенного метода был сформирован проект Agro one. Был разработан и реализован опытный био комплекс, демонстрирующий метод Зеленого Креста.

Принципиальная схема бикомплекса: 24 часа

По сравнению с существующими немецкими технологиями (R.Schetucl Gmbh, Rottaler Modell, HoSt) предлагаемый Метод Зелёного Креста позволяет довести степени переработки отходов до 95-97% (против 50%), уменьшить затраты электрической энергии на собственные нужды и, – что самое важное, – за счет повышенных скорости и глубины переработки существенно (почти на 80%) увеличить объёмный выход метана с единицы объема установки и довести его до рекордных значений (16,8 против традиционного 9,4).

Agro one уже собрал качественную доказательную базу: в эксплуатации (при Всероссийском Институте Животноводства РАСХН) находится биогазовый комплекс на 200 КРС (Фото 1), в станице Святого разбит и действует полигон вермикомпостирования (Фото 2), плантация органического картофеля (Фото 3), опытные участки по выращиванию функциональных продуктов (Фото 4).

Техническая характеристика и внешний вид пилотного комплекса по безотходной переработке навоза от фермы на 200 голов КРС.

Пульпа (95%) навоза КРС – до 15 т/сут
Время обработки – до 24 час
Рабочая температура – 50-55о С
Биогаз – до 600 м³/сут
Содержание метана – до 80%
Жидкие орг-мин. удобрения – до 12 т/сут
Электроэнергия – 50 кВт (1200 кВт-ч/сут)
Тепло – 100 кВт (2000 кВт-ч/сут)

Команда проекта Agro one предлагает и далее развивать организационную схему переработки (конверсии) отходов в питательные вещества по методу безотходного органического земледелия в рамках вертикально интегрированных компаний объединяющих производство кормов, продуктов животноводства, дополнив её перерабатывающим цехами, системами упаковки хранения и транспортировки готовой продукции и сбытовою сетью. Особенность и решающее преимущество подобных компаний состоит в их полном самообеспечении электроэнергией, теплом (холодом), моторным топливом и удобрениями, производимыми из биомассы отходов.

Это позволяет, во-первых, резко повысить продуктивность растениеводства за счет собственных экологически чистых органоминеральных удобрений, во-вторых, самостоятельно, используя собственную энергетическую базу, проводить переработку собственного сельхозсырья в товары конечного потребления, в-третьих, снизить себестоимость и, следовательно, конкурентоспособность производимой продукции растениеводства и животноводства на внешнем рынке.

Низкая себестоимость получаемых продуктов питания, их высокие пищевые и экологические кондиции, имеющие и экспортный потенциал, в сочетании с высокой продуктивностью позволяют компаниям сравнительно легко завоевать рынок и противостоять проникновению некачественных, но дорогих импортных пищевых товаров, в том числе содержащих генно-модифицированные составляющие.

Процессы материального и энергетического обмена внутри биосистемы предполагаются оптимизированными с точки зрения экономичности и рациональности т.е. они должны быть природоподобными для обеспечения устойчивости протекания как внутренних процессов, так и процессов взаимодействия с внешней средой.

Выполнение этого принципа является необходимым условием обеспечения рентабельности функционирования системы. Среди других принципов работы – отбор излишков энергии для реализации высоких переделов, замыкание «углеродного» цикла и кратное повышение глубины использования ресурсов. Отличительные черты такой системы – скорость, качество и экологичность.

Климатический аспект, сохранение углерода в живых системах

Дискуссия, развернувшаяся вокруг проблемы парниковых газов, оставляет поле для существования различных гипотез, но вне зависимости от того, считать ли антропогенное воздействие решающей причиной изменения климата или нет, кампания вокруг глобального потепления способна стать движущей силой технологических перемен, обеспечивающих укрепление экологической и энергетической безопасности, экологизацию отраслей.

Проблема энергоэффективности имеет геополитическое измерение, так как задачу снижения зависимости от внешних источников энергии ставят все государства-потребители, и она будет решаться вне зависимости от политических лозунгов. Позиция Российского Зелёного Креста состоит в том, что вне зависимости от причин климатических колебаний нельзя пропустить связанный с этим технологический рывок для повышения энергоэффективности экономики с использованием потенциала сельхозотходов.

Результаты последних исследований экспертов Мирового Банка (Гудланд и Анханг) убедительно показывают, что вклад отходов животноводства в выделение газов углеродного эквивалента составляет не менее 51% от общемировой суммы таких выделений.

Специалистами Российского Зелёного Креста на основании официальных результатов всероссийской сельскохозяйственной переписи проведены оценки уровня выбросов парниковых газов, возникающих при обращении с навозом и помётом сельскохозяйственных животных на территории Российской федерации.

Результаты анализа показывают, что объем ежегодных выбросов парниковых газов от животноводства в России составляют по разным оценкам от 440 до 640 Гм3 в год или от 887 до 1284 Мт в год в пересчете на СО2 ‘, что составляет не менее трети от объёма указанных выбросов в России (3050 Мт СО2 экв.), зафиксированного по Киотскому протоколу в качестве базового уровня.

Более половины (52%) из этого количества парниковых газов имитируются животными, сконцентрированными на фермах крупных сельскохозяйственных организаций.
Немногим менее половины (43%) имитируются животными, рассредоточенными между личными хозяйствами, в которых среднее количество голов КРС или свиней по данным статистики не превышает 2-3.

В этой связи Российский Зелёный Крест считает рациональным на первом этапе сосредоточить усилия производителей, властей и представителей международного сообщества на модернизации крупных хозяйств с числом КРС ~ 1000 голов, свиней ~ 10 000 голов, птицы ~ 30 000 голов.

Модернизация предусматривает оснащение ферм комплексами для анаэробного сбраживания навоза и помёта в биогаз работающими в режиме «on line», разработанными в соответствие с методом Зелёного Креста. Установки производят органоминеральное удобрение и биогаз, который разделяют на горючий метан и инертный углекислый газ.

Метан используют на когенераторных станциях для выработки электроэнергии и тепла.

Углекислый газ, выделенный из биогаза, вместе с углекислым газом, выделенным из продуктов сгорания метана, направляют на получения дополнительной биомассы методами аквакультуры

Полномасштабное выполнение этого этапа на территории России позволит сократить ежегодные выбросы парниковых газов в окружающую среду на 220 Гм3 или на 440 Мт в пересчете на СО2., что сопоставимо с суммой предельных выбросов, установленных по Киотскому протоколу для таких крупных европейских стран как Франция, Польша и Италия.

Продовольственная безопасность.

Большинство западных экспертов, принявших участие в обсуждении проблемы влияния сельскохозяйственного производства на климат, (Гудланд и Анханг, лорд Стерн, Гарнет и др.) считают, что решение проблемы в отказе от потребления мясных и молочных продуктов. Для этого предлагается дорогостоящая пропагандистская кампания, которая, по их мнению, должна привести к сокращению поголовья скота и, соответственно, к существенному снижению уровня выделения парниковых газов в атмосферу. Те же эксперты предлагали на Копенгагенском климатическом саммите принять решение по ограничениям в производстве мяса, птицы и молока в 2011-2020 годах. Даже если бы эту инициативу поддержали бы участники саммита, то это оказало бы крайне негативное влияние на развитие сельского хозяйства и, прежде всего, животноводства в мире.

Российский подход состоит в кардинальном решении этой проблемы без ущерба для развития сельского хозяйства. Более того, предлагаемый Зеленым Крестом метод позволяет не только существенное сокращение уровня выбросов парниковых газов, но и устойчивое развитие сельскохозяйственного производства на принципах децентрализованного самообеспечения сельхозпроизводителя собственными энергией, моторным топливом и экологически чистыми, высокопродуктивными органоминеральными удобрениями.

Применение последних позволяет существенно повысить урожайность основных культур, полностью исключить применение минеральных удобрений и ядохимикатов и, таким образом, повысить биологическую ценность и потребительскую привлекательность выращиваемых продуктов при существенном снижений себестоимости их производства.

Экологические преимущества предлагаемого метода

Метод Зелёного Креста предусматривает полное исключение вредных выбросов отходов животноводства и некоторых отходов при первичной переработке продукции хозяйств и, таким образом, устранить угрозу засорения ими и продуктами их распада почв, поверхностных и грунтовых вод и атмосферного воздуха. Кроме того, как указывалось выше, применение метода позволяет отказаться от минеральных удобрений и ядохимикатов в растениеводстве, что также будет способствовать экологическому оздоровлению территорий, улучшению качества почв и повышению её капитализации.

Заключение

Применение метода Зеленого Креста позволит сельхозпредприятиям и отрасли в целом:

• сделать сельскохозяйственное производство более экологичным, полностью устранив вредные выбросы и засорение почв, поверхностных и грунтовых вод, а также атмосферного воздуха отходами животноводства и растениеводства и продуктами их распада;
• улучшить санитарно-эпидемиологическую и социально-экологическую обстановку за счет полной, цивилизованной и экологически безопасной переработки ранее накапливавшихся биоорганических отходов;
• устранить непроизводительные экологические платежи;
• нормализовать режим работы хозяйств за счет их самообеспечения тепловой и электрической энергией, моторным топливом в децентрализованном режиме;
  организовать производство органоминеральных удобрений;
• повысить качество и, как следствие, капитализацию земли за счет перехода от минеральных к биоорганическим удобрениям;
• создать новые рабочие места.

Массированное применение описанного метода в сельскохозяйственном производстве на национальном или региональном уровнях повлечет существенные положительные изменения в деле обеспечения энергетической, экологической и продовольственной безопасности страны и устранит или существенно ослабит воздействие этой отрасли хозяйства на возможные климатические изменения под действием парниковых газов.

Предлагаемый подход к конструктивному решению, на первый взгляд, частных противоречий, возникающих в ходе развития страны, показывает, что экология, как наука и способ разумного хозяйствования, может и должна стать новой, мощной производительной силой общества.