Какие организмы образуют основную биомассу. Что такое биомасса? Каково ее назначение. Поток энергии в биосфере

ЧТО ТАКОЕ БИОГАЗ И БИОМАССА?

В последнее время во всем мире все большее внимание уделяют нетрадиционным с технической точки зрения, возобновляемым источникам энергии (ВИЭ). Для Республики Узбекистан из ВИЭ имеет значение энергия: солнечного излучения, ветра, малых речных потоков, термальных источников, биомассы . Некоторые из них, например, ветер, находили широкое применение и в прошлом, а сегодня переживают второе рождение во многих странах мира, в особенности в странах Европы. Одним из «забытых» видов сырья является и биогаз, использовавшийся еще в Древнем Китае и вновь «открытый» в наше время.

Что же такое биогаз? Этим термином обозначают газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха, ферментации органических веществ самого разного происхождения. В любом крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество навоза, ботвы растений, различных отходов. Обычно после разложения их используют как органическое удобрение. Однако мало кто знает, какое количество биогаза и тепла выделяется при ферментации. А ведь эта энергия тоже может сослужить хорошую службу сельским жителям.

Биогаз – смесь газов. Его основные компоненты: метан (СН4% и углекислый газ (СО2) – 28-43%, а также в очень малых количествах другие газы, например – сероводород (Н2S).

В среднем 1 кг органического вещества, при 70% биологическом разложении, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.

Свежий навоз животноводческих ферм и жидкие составляющие навоза вместе со сточными водами являются загрязнителями окружающей среды. Повышенная восприимчивость сельскохозяйственных культур к свежему навозу приводит к загрязнению грунтовых вод и воздушного бассейна, создает благоприятную среду для заражения почвы вредными микроорганизмами. В навозе животных жизнедеятельность болезнетворных бактерий и яиц гельминтов не прекращается, содержащиеся в нем семена сорных трав сохраняют свои свойства.

Для устранения этих негативных явлений необходима специальная технология обработки навоза, позволяющая повысить концентрацию питательных веществ и одновременно устранить неприятные запахи, подавить патогенные микроорганизмы, снизить содержание канцерогенных веществ. Перспективным, экологически безопасным и экономически выгодным направлением решения этой проблемы является анаэробная переработка навоза и отходов в биогазовых установках с получением биогаза. Благодаря высокому содержанию метана (до 70%) биогаз может гореть. Оставшаяся после такой естественной переработки органическая масса представляет собой качественное обеззараженное удобрение.

Для переработки используются дешевые отходы сельского хозяйства - навоз животных, помет птицы, солома, отходы древесины, сорная растительность, бытовые отходы и органический мусор, отходы жизнедеятельности человека и т. п.

Полученный биогаз, может идти на отопление животноводческих помещений, жилых домов, теплиц, на получение энергии для приготовления пищи, сушку сельскохозяйственных продуктов горячим воздухом, подогрев воды, выработку электроэнергии с помощью газовых генераторов.

После утилизации содержание питательных веществ в полученном удобрении увеличивается на 15% по сравнению с обычным навозом. При этом в новом удобрении уничтожены гельминты и болезнетворные бактерии, семена сорных трав. Такой навоз применяется без традиционных выдержек и хранения. При утилизации получается также жидкий экстракт, который предназначается для полива кормовых трав, овощей и т. п. Сухое удобрение используется по прямому назначению, при этом урожайность люцерны повышается на 50%, кукурузы на 12, овощей на 20-30%.

Из навоза одной коровы можно получить в сутки до 4,2 м3 биогаза. Энергия, заключенная в одном м3 биогаза, эквивалентна энергии 0,6 м3 природного горючего газа, 0,74 л нефти, 0,65 л дизельного топлива, 0,48 л бензина и т. п. При применении биогаза экономятся также мазут, уголь, электроэнергия и другие энергоносители. Внедрение биогазовых установок улучшает экологическую обстановку на животноводческих фермах, птицефабриках и на прилегающих территориях, предотвращаются вредные воздействия на окружающую среду.

По некоторым данным вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет около 12%, хотя значительная доля биомассы, используемой для энергетических нужд, не является коммерческим продуктом и, как результат, не учитывается официальной статистикой. В странах Европейского Союза, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, но с широкими вариациями : в Австрии - 12%, в Швеции - 18%, в Финляндии - 23%.

Первичной биомассой являются растения, произрастающие на суше и в воде. Биомасса образуется в результате фотосинтеза, за счет которого солнечная энергия аккумулируется в растущей массе растений. Энергетический кпд собственно фотосинтеза составляет около 5%. В зависимости от рода растений и климатической зоны произрастания это приводит к различной продуктивности в расчете на единицу площади, занятой растениями.

Для энергетических целей первичная биомасса используется в основном как топливо, замещающее традиционное ископаемое топливо. Причем речь, как правило, идет об отходах лесной и деревоперерабатывающей промышленности, а также об отходах полеводства (солома, сено). Теплотворность сухой древесины достаточно высока, составляя в среднем 20 ГДж/т. Несколько ниже теплотворность соломы, например, для пшеничной соломы она составляет около 17,4 ГДж/т.

В то же время большое значение имеет удельный объем топлива, который определяет размеры соответствующего оборудования и технологию сжигания. В этом отношении древесина значительно уступает, например, углю. Для угля удельный объем составляет около 30 дм3 /ГДж, тогда как для щепы, в зависимости от породы дерева, этот показатель лежит в пределах 250 – 350 дм3 /ГДж; для соломы удельный объем еще больше, достигая 1м3 /ГДж. Поэтому сжигание биомассы требует либо ее предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств.

В частности, в ряде стран распространение получил способ уплотнения древесных отходов с превращением их в брикеты или, так называемые, плетки. Оба способа позволяют получить топливо с удельным объемом около 50 дм3/ГДж, что вполне приемлемо для обычного слоевого сжигания. Например, в США годовое производство плеток составляет около 0,7 млн. т, а их рыночная цена - около 6 долл./ГДж при теплотворности около 17 ГДж/т.

В виде топлива может использоваться широкий спектр биомассы. Древесина и сухой навоз являются традиционными сельскими видами топлива и продолжают в большом объеме использоваться во многих регионах мира. Основные виды перечислены в таблице вместе с техникой их использования.

Сжигание биомассы является нейтральным процессом с точки зрения выделения углекислого газа. Растения потребляют углекислый газ в цикле фотосинтеза. Затем он выделяется при горении вещества. Следовательно, выращенный лес и энергетические культуры являются энергетическим ресурсом, который не приводит к концентрации углекислого газа в атмосфере.

В Узбекистане большие площади занимают посевы хлопчатника, кенафа, табака, подсолнечника. И если стебли хлопчатника до сих пор частично использовались как сырье для производства спирта, бумаги, то стебли остальных растений, как правило, просто сжигались. А ведь по природному происхождению и химическому составу они близки к древесине! И это при том, что лесных насаждений в стране очень мало. Ученые Узбекистана разработали технологию получения из этих отходов растениеводства экологически чистых строительных материалов , обладающих хорошими теплоизоляционными свойствами и достаточно высоким сопротивлением к разрыву, что немаловажно для этого сейсмически активного региона.

Биомасса	Описание	Использование энергии
Отходы лесоматериалов		В основном как топливо для котельных
Сельскохозяйственные отходы	Солома, помет, сахарная багасса и т. п.	a) Как топливо для котельных или для выработки энергии б) Производство биоэтанола для транспортного топлива, например, использование сахара в Бразилии.
Энергетические сельскохозяйственные культуры	Быстрорастущая биомасса, выращиваемая специально на топливо, например, ива или мискантус	Получение электроэнергии (всего несколько коммерческих примеров)
Твердые городские отходы	Домашние и коммерческие отходы	a) Широкомасштабное сжигание с получением энергии, используемое для выработки электроэнергии б) Улавливание метана со свалок, используется для выработки электроэнергии и промышленного нагрева.
Сточные воды	Осадки от переработки городских сточных вод	Анаэробное сбраживание осадков сточных вод вырабатывает метан. Используется для выработки электроэнергии.

Биомасса - термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т. д.) и вторичную - отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных. В свою очередь отходы также делятся на первичные - отходы при переработке первичной биомассы (солома, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и т. д.) и вторичные - продукты физиологического обмена животных и человека.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных (без доступа воздуха) условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий. Эти процессы сопровождаются минерализацией азотсодержащих , фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Процесс образования биогаза и удобрений осуществляется специальных биореакторах-метантенках.

Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да и любых других органических остатков, известен давно - это компостирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются. При этом куча разогревается примерно до 60°С и происходит естественная пастеризация - погибает большинство патогенных микробов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть.

Но качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в нем азота и немало фосфора. Пропадает и энергия, потому что впустую рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, - а в навозе, между прочим, заключена почти половина всей энергии, поступающей на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования просто не годятся: слишком они жидкие.

Но возможен и другой путь переработки органического вещества - сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная ферментация. Именно такой процесс происходит в природном биологическом реакторе, заключенном в брюхе каждой буренки, пасущейся на лугу. Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соединения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соединения служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы - углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть - 100-200 млн. тонн в год! - имеет такое "животное" происхождение.

Метанообразующие бактерии - во многом весьма замечательные создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и коферменты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая - их считают продуктом особой ветви эволюции.

Примерно такое сообщество микроорганизмов и приспособили латвийские микробиологи для решения задачи - переработки отходов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компостировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятельности - биогаз, в котором 60-70 % метана,- есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров.

Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное - что таким способом прекрасно перерабатывается навоз с ферм. В процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органических отходов образуются экологически чистые, жидкие, высокоэффективные органические удобрения. Эти удобрения содержат минерализованный азот в виде солей аммония (наиболее легко усвояемая форма азота), минерализованные фосфор, калий и другие, необходимые для растения биогенные макро - и микроэлементы, биологически активные вещества, витамины , аминокислоты, гуминоподобные соединения, структурирующие почву.

Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/ м3 (0,93 плотности воздуха) имеет следующий состав (%): метан - 65, углекислый газ - 34, сопутствующие газы - до 1 (в том числе сероводород - до 0,1). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и технологии в пределах 55-75 %. Содержание воды в биогазе при 40°С - 50 г/м3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.).

Энергоемкость получаемого газа - 23 мДж/ м3 , или 5500 ккал/ м3 .

Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассе может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями.

Получение растительных углеводородов (растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т. д.).

Термохимическая конверсия биомассы (твердой, до 60%) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз.

Биотехнологическая конверсия биомассы (при влажности от 75 % и выше) в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.

Биологическая конверсия биомассы в топливо и энергию развивается по двум основным направлениям:

Ферментация с получением этанола, низших жирных кислот, углеводородов, липидов - это направление давно и успешно используется на практике;

Получение биогаза.

В настоящее время получение биогаза связано, прежде всего с переработкой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и осадков.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОИЗВОДСТВО БИОГАЗА

Поскольку разложение органических отходов происходит за счет деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды, позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до –20о С.

Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90-94 %). Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий: например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков .

Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п. В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на 3 фракции. Верхняя – корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментатора скапливается жидкость, а нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок.

Бактерии наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать – хотя бы один раз в сутки, а желательно – до шести раз. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных методов самоперемешивания.

БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ

Технологические схемы и конструктивно-технологические параметры биогазовых установок зависят от объемов переработки и свойств сбраживаемого материала, тепловлажностного режима, способов загрузки и перебраживания субстрата и ряда других факторов.

Основное оборудование биогазовой установки - герметически закрытая емкость с теплообменником (теплоноситель - вода, нагретая до 50-60 °С), устройства для ввода и вывода навоза и для отвода газа.

Так как на каждой ферме свои особенности удаления навоза, использования подстилочного материала, теплоснабжения , создать один типовой биореактор невозможно. Конструкция установки во многом определяется местными условиями, наличием материалов. Ниже приведены некоторые возможные конструкции биогазовых учтановок.

Для небольшой установки наиболее простое решение - использовать высвободившиеся топливные цистерны. Схема биореактора на базе стандартной топливной цистерны объемом 50 м3 показана на рисунке. Внутренние перегородки могут быть из металла или кирпича; их основная функция - направлять поток навоза и удлинить путь его внутри реактора, образуя систему сообщающихся сосудов. На схеме перегородки показаны условно; их число и размещение зависят От свойств навоза - от текучести, количества подстилки.

Биореактор экспериментальной газовой станции (утеплитель из древесных опилок условно не показан):

1 - бетонная подставка (2 шт.); 2 - теплоизоляционная «подушка» (2 шт.); 3- обогреватель с термофикационной водой («тепловая рубашка» базовой железнодорожной нефтецистерны); 4 - патрубок приема сырья; 5 - корпус биореактора (цистерна); 6-сырье (жидкий навоз); 7 - вал мешалки с лопастями; 8 - шлюзовая перегородка (4 шт.); 9 - биогаз; 10 - газопроводный патрубок; 11 - переработанная биомасса; 12 - сифонный затвор; 13 - патрубок трубопрово­да переработанной биомассы; 14- цеп­ная передача; 15 - мотор-редуктор (220 В, 3 кВт)

Биореактор из железобетона требует меньше металла, но более трудоемок в изготовлении. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества навоза, которое зависит как от численности и массы животных, так и от способа его удаления: при смыве бесподстилочного навоза общее количество стоков увеличивается во много раз, что нежелательно, так как требует увеличения затрат энергии на подогрев. Если суточное количество стоков известно, нужный объем реактора можно определить, умножив это количество на 12 (поскольку 12 суток - минимальный срок выдержки навоза) и увеличив полученную величину на 10 % (так как реактор следует заполнять субстратом на 90 %).

Ориентировочная суточная производительность биореактора при загрузке навоза с содержанием сухого вещества 4-8 % - два объема газа на объем реактора: биореактор объемом 50 м3 будет давать в сутки 100 м3 биогаза.

Как правило, переработка бесподстилочного навоза от 10 голов крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 20 м3 биогаза, от 10 свиней - 1-3 м3 , от 10 овец,2 м3 , от 10 кроликов - 0,4-0,6 м3. Тонна соломы дает 300 м3 биогаза, тонна коммунально-бытовых отходов - 130 м3. (Потребность в газе односемейного дома, включая отопление и горячее водоснабжение , составляет в среднем 10 м3 в сутки, но может сильно колебаться в зависимости от качества теплоизоляции дома.)

Подогревать субстрат до 40°С можно различными способами. Удобнее всего использовать для этого газовые водонагревательные аппараты АГВ-80 или АГВ-120, снабженные автоматикой для поддержания температуры теплоносителя. При питании аппарата биогазом (вместо природного газа) следует его отрегулировать, уменьшив подачу воздуха. Можно также использовать для подогрева субстрата ночную электроэнергию. Аккумулятором тепла в этом случае служит сам биореактор.

Для уменьшения потерь тепла биореактор необходимо тщательно теплоизолировать. Здесь возможны разные варианты: в частности, можно устроить вокруг него легкий каркас, заполненный стекловатой, нанести на реактор слой пено-полиуретана и пр.

Давление газа, получаемого в биореакторе (100-300 мм вод. ст.), достаточно для его подачи на расстояние до нескольких сотен метров без газодувок или компрессоров.

При запуске биореактора необходимо заполнить его на 90 % объема субстратом и продержать суток, после чего можно подавать в реактор новые порции субстрата, извлекая соответствующие количества ферментированного продукта.

СОЦИАЛЬНЫЕ, ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Ведущее место по производству биогаза занимает Китай. Начиная с середины 70-х гг., в этой стране ежегодно строилось около миллиона метантенков. В настоящее время их количество превышает 20 млн. штук. КНР обеспечивает 30% национальных потребностей в энергии за счет биогаза.

Второе место в мире по производству биогаза занимает Индия, в которой еще в 30- годы была принята первая в мире программа по развитию биогазовой технологии. На конец 2000 г. в сельских районах Индии было построено свыше 1 млн. метантенков, что позволило улучшить энергообеспеченность ряда деревень, их санитарно-гигиеническое состояние, замедлить вырубку окрестных лесов и улучшить почвы. Сегодня ежедневное производство биогаза в Индии составляет 2,5-3 млн. куб. м.

В Непале создана и активно функционирует национальная биогазовая компания.

Биогазовые установки успешно работают в восьми животноводческих хозяйствах Японии.

Предварительные расчеты показывают, что из 1 тонны растительной биомассы, смешанной с отходами, можно получить 350 куб. м газов (метан, водород) с энергоемкостью 2.1х106 ккал, 430 л жидкого топлива с энергоемкостью 3.08х106 ккал и твердое топливо, эквивалентное 0.2х106 ккал энергии. Таким образом, из 1 тонн такого сырья можно получить 0,1-0,4 тут, а также 0,8-0,9 тонны обеззараженных удобрений.

Сегодня в сельской местности, где особенно ощутим нынешний топливно-энергетический дисбаланс, одинаково необходимы все виды топлива: газообразное - для отопления, жидкое - для функционирования транспорта, твердое - для получения теплоносителей.

Главное, что биогазовая технология переработки и обеззараживания отходов животноводства, себя окупает не только газом и производимым экологически чистым удобрением. Эта технология обеспечивает экологическое благополучие: иначе пришлось бы строить и навозохранилища, очистные сооружения, тратить большие деньги и очень много энергии.

Биореактор объемом 50 м3 дает в сутки 100 м3 биогаза, из которых на долю "товарного" газа, приходится в среднем около 70 м* (остальное идет на подогрев реактора), что составляет 25 тыс. м3 в год - количество, эквивалентное 16,75 т жидкого топлива.

Если капитальные вложения в строительство установки распределить на 15-летний срок ее эксплуатации и учесть эксплуатационные расходы и расходы на ремонт (1 % от стоимости оборудования), то экономия от замены биогазом жидкого топлива очень высокая.

При таком подсчете не учитывается предотвращение загрязнения окружающей среды , а также увеличение урожайности в результате применения получаемого высококачественного удобрения.

Биогазовые технологии решают ряд социально-экономических и природоохранных задач: экономию и комплексность использования топливно-энергетических и других природных ресурсов (земельных и водных); создание новых интенсивных технологий производства сельскохозяйственной продукции вне зависимости от погодно-климатических условий; снижение негативного воздействия теплового загрязнения на окружающую среду.

Особенность биогазовых технологий в том, что они не являются чисто энергетическими, а представляют комплекс, охватывающий решение как энергетических, так и экологических, агрохимических, лесотехнических и других вопросов, и в этом состоит их высокая рентабельность и конкурентоспособность.

Биогаз – это здоровье в вашем доме. В результате утилизации навоза в биогазовых установках, а не складирования его на приусадебных участках, падает уровень заражения среды болезнетворными бактериями. Исчезают неприятные запахи от разложения биоотходов и мухи, личинки которых выводятся в навозе.

Биогаз – это чистота вашей кухни. Пламя от горения газа не коптит и не содержит вредных смол и химических соединений, поэтому кухня и посуда не пачкаются копотью. Снижается риск респираторных и глазных заболеваний, связанных с дымом.

Биогаз – это источник плодородия вашего огорода. Из нитритов и нитратов, содержащихся в навозе и отравляющих ваш урожай, получается чистый азот, который так необходим растениям. При переработке навоза в установке погибают семена сорняков, и при удобрении огорода метановым флюентом (переработанным в установке навозом и органическими отходами) у вас будет уходить гораздо меньше времени на прополку.

Биогаз – доходы из отходов. Пищевые отходы и навоз, которые скапливаются в хозяйстве, являются бесплатным сырьем для биогазовой установки. После переработки мусора вы получаете горючий газ, а также высококачественные удобрения (гуминовые кислоты), являющиеся основными составляющими чернозема.

Биогаз – это независимость. Вы не будете зависеть от поставщиков угля и газа. А еще экономите деньги на этих видах топлива.

Биогаз – это возобновляемый источник энергии. Метан можно использовать для нужд крестьянских и фермерских хозяйств:

Для приготовления пищи;

Для подогрева воды;

Для отопления жилищ (при достаточных количествах исходного сырья – биоотходов).

Сколько же можно получить газа из одного килограмма навоза? Исходя из того, что на кипячение одного литра воды расходуется 26 литров газа:

С помощью одного килограмма навоза крупного рогатого скота можно вскипятить 7,5-15 литров воды;

С помощью одного килограмма навоза свиней – 19 литров воды;

С помощью одного килограмма птичьего помета – 11,5-23 литра воды;

С помощью одного килограмма соломы зернобобовых можно вскипятить 11,5 литров воды;

С помощью одного килограмма картофельной ботвы – 17 литров воды;

С помощью одного килограмма ботвы томатов – 27 литров воды.

Неоспоримое преимущество биогаза – в децентрализованном производстве электроэнергии и тепла.

Процесс биоконверсии кроме энергетической позволяет решить еще две задачи. Во-первых, сброженный навоз по сравнению с обычным применением, повышает на 10-20% урожайность сельскохозяйственных культур. Объясняется это тем, что при анаэробной переработке происходит минерализация и связывание азота. При традиционных же способах приготовления органических удобрений (компостированием) потери азота составляют до 30-40%. Анаэробная переработка навоза в четыре раза - по сравнению с несброженным навозом - увеличивает содержание аммонийного азота (20-40% азота переходит в аммонийную форму). Содержание усвояемого фосфора удваивается и составляет 50% общего фосфора.

Кроме того, во время сбраживания полностью гибнут семена сорняков, которые всегда содержатся в навозе, уничтожаются микробные ассоциации, яйца гельминтов, нейтрализуется неприятный запах, т. е. достигается актуальный на сегодня экологический эффект.

Совокупность всех живых организмов образует биомассу (или, по выражению В. И. Вернадского, живое вещество) планеты.

По массе это составляет около 0,001% массы земной коры. Однако несмотря на незначительную общую биомассу, роль живых организмов в процессах, происходящих на планете, огромна. Именно деятельностью живых организмов обусловлены химический состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, образования одних и разорению других горных пород, формирование почвы в литосфере и т.д..

Биомасса суши. Наибольшая плотность жизни в тропических лесах. Здесь больше видов растений (более 5 тыс.). К северу и к югу от экватора жизнь становится беднее, уменьшаются его плотность и число видов растений и животных: в субтропиках около 3 тыс. видов растений, в степях около 2 тыс., далее идут широколиственные и хвойные леса и, наконец, тундра, в которой растет около 500 видов лишайников и мхов. В зависимости от интенсивности развития жизни в разных географических широтах меняется биологическая продуктивность. Подсчитано, что общая первичная продуктивность суши (биомасса, образована автотрофными организмами за единицу времени на единицу площади) составляет около 150 млрд т, в том числе на долю лесов земного шара приходится 8 млрд т органического вещества в год. Суммарная растительная масса на 1 га в тундре составляет 28,25 т, в тропическом лесу - 524 т. В умеренном поясе 1 га леса за год образует около 6 т древесины и 4 т листьев, составляет 193,2 * 109 Дж (~ 46 * 109 кал). Вторичная производительность (биомасса, образуемая гетеротрофными организмами за единицу времени на единицу площади) в биомассе насекомых, птиц и других в этом лесу составляет от 0,8 до 3% биомассы растений, то есть около 2 * 109 Дж (5 * 108 кал). < /p>

Первичная годовая производительность различных агроценозов значительно различается. Средняя мировая производительность в тоннах сухого вещества на 1 га составляет: пшеницы - 3,44, картофеля - 3,85, риса - 4,97, сахарной свеклы - 7,65. Урожай, который собирает человек, составляет лишь 0,5% общей биологической продуктивности поля. Значительная часть первичной продукции разрушается сапрофитами - жителями почв.

Одним из важных компонентов биогеоценозов поверхности суши являются почвы. Исходным материалом для почвообразования являются поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием микроорганизмов, растений и животных формируется почвенный слой. Организмы концентрируют в себе биогенные элементы: после отмирания растений и животных и разложения их остатков эти элементы переходят в состав грунта, благодаря чему

в нем аккумулируются биогенные элементы, а также накапливаются не полностью разложены органические печовины. В почве содержится огромное количество микроорганизмов. Так, в одном грамме чернозема количество их достигает 25 * 108. Таким образом, почва имеет биогенное происхождение, состоит из неорганических, органических веществ и живых организмов (эдафон - совокупность всех живых существ почвы). Вне биосферы возникновения и существования почвы невозможно. Почва - среда для жизни многих организмов (одноклеточных животных, кольчатых и круглых червей, членистоногих и многих других). Почва пронизана корнями растений, из него растения впитывают питательные вещества и воду. С жизнедеятельностью живых организмов, которые есть в почве, связана урожайность сельскохозяйственных культур. Внесения химических веществ в почву часто пагубно влияет на жизнь в нем. Поэтому нужно рационально использовать почвы и оберегать их.

Каждая местность имеет свои почвы, которые отличаются от других по составу и свойствам. Образования отдельных типов почв связано с различными почвообразовательного породами, климатом и особенностями растений. В. В. Докучаев выделил 10 основных типов почв, сейчас их насчитывается более 100. На территории Украины выделяют следующие почвенные зоны: Полесье, Лесостепь, Степь, Сухой степь, а также Карпатскую и Крымскую горные области с присущими для каждой из них типами структуры почвенного покрова. Для Полесья характерны дерновопидзолисти, серые лесные,. Темносири лесные почвы, черноземы оподзоленные т.д.. Зона Лесостепи имеет серые и темносири лесные почвы. Зона Степи в основном представлена черноземами. В Украинских Карпатах преобладают бурые лесные почвы. В Крыму случаются разные почвы (черноземы, каштановые и т.д.), но они, как правило, щебнистыми и каменистые.

Биомасса Мирового океана. Мировой океан занимает более 2/3 площади поверхности планеты. Физические свойства и химический состав вод океана благоприятные для развития и существования жизни. Как и на суше, в океане плотность жизни крупнейшая в экваториальной зоне и снижается по мере виддаляння от нее. В верхнем слое, на глубине до 100 м, живут одноклеточные водоросли, которые составляют планктон, «общая первичная продуктивность фитопланктона Мирового океана составляет 50 млрд т в год (около 1/3 всей первичной продукции биосферы). Почти все цепи питания в океане начинаются с фитопланктона, которым питаются животные зоопланктона (например, рачки). Рачки являются пищей для многих видов рыб и усатых китов. Рыб поедают птицы. Крупные водоросли растут преимущественно в прибрежной части океанов и морей. Наибольшая концентрация жизни - в коралловых рифах. Океан беднее на жизнь, чем сушу, биомасса его продукции в 1000 раз меньше. Большинство образованной биомассы - одноклеточныеводоросли и прочие обитатели океана - отмирают, оседают на дно и их органическое вещество разрушается редуцентами. Лишь около 0,01% первичной продуктивности Мирового океана через длинную цепь трофических уровней доходит до человека в виде пищи и химической энергии.

На дне океана, в результате жизнедеятельности организмов, формируются осадочные породы: мел, известняки, диатомит и др..

Биомасса животных в Мировом океане приблизительно в 20 раз больше, чем биомасса растений, особенно велика она в прибрежной зоне.

Океан - колыбель жизни на Земле. Основой же жизни в самом океане, первичным звеном в сложной пищевой цепи является фитопланктон, одноклеточные зеленые морские растения. Эти микроскопические растения поедаются растительноядным зоопланктоном и многими видами мелкой рыбы, которые в свою очередь служат кормом целого ряда нектонных, активно плавающих хищников. В пищевой цепи океана принимают участие также и организмы морского дна - бентос (фитобентос и зообентос). Суммарная масса живого вещества в океане составляет 29,9∙109 т, при этом на биомассу зоопланктона и зообентоса приходится 90% от общей массы живого вещества океана, на биомассу фитопланктона - около 3 % и на биомассу нектона (главным образом рыба) - 4% (Суетова, 1973; Добродеев, Суетова, 1976). В целом биомасса океана по весу в 200 раз, а на единицу поверхности - в 1000 раз меньше, чем биомасса суши. Однако ежегодная продукция живого вещества океана составляет 4,3∙1011 т. В единицах живого веса она близка к продукции наземной растительной массы - 4,5∙1011 т. Так как морские организмы содержат гораздо больше воды, то в единицах сухого веса это соотношение выглядит как 1:2,25. Еще ниже (как 1:3,4) соотношение продукции чистого органического вещества океана в сравнении с таковым на суше, так как фитопланктон содержит больший процент зольных элементов, чем древесная растительность (Добродеев, Суетова, 1976). Достаточно высокая продуктивность живого вещества в океане объясняется тем, что простейшие организмы фитопланктона имеют короткий срок жизни, они обновляются ежедневно, а общая масса живого вещества океана в среднем примерно через каждые 25 дней. На суше обновление биомассы происходит в среднем за 15 лет. Живое вещество в океане распределяется очень неравномерно. Максимальные концентрации живого вещества в открытом океане - 2 кг/м2 - расположены в районах умеренного пояса северной части Атлантического и северо-западной части Тихого океанов. На суше такую же биомассу имеют зоны лесостепей и степей. Средние величины биомассы в океане (от 1,1 до 1,8 кг/м2) имеют области умеренного и экваториального поясов, на суше им соответствуют биомассы сухих степей умеренного пояса, полупустынь субтропического пояса, альпийских и субальпийских лесов (Добродеев, Суетова, 1976). В океане распределение живого вещества зависит от вертикального перемешивания вод, вызывающего подъем к поверхности питательных веществ из глубинных слоев, где происходит процесс фотосинтеза. Такие зоны подъема глубинных вод получили название зон апвеллинга, они наиболее продуктивны в океане. Зоны слабого вертикального перемешивания вод характеризуются низкими величинами продукции фитопланктона - первого звена в биологической продуктивности океана, бедностью жизни. Другая характерная черта распределения жизни в океане - концентрация ее в мелководной зоне. В районах океана, где глубина не превышает 200 м, сосредоточено 59% биомассы донной фауны; на глубины от 200 до 3000 м приходится 31,1% и на районы с глубиной более 3000 м - менее 10%. Из климатических широтных поясов в Мировом океане наиболее богаты субантарктический и северный умеренный пояс: их биомасса в 10 раз больше, чем в экваториальном поясе. На суше, напротив, наиболее высокие значения живого вещества приходятся на экваториальный и субэкваториальный пояс.

Основу биологического круговорота, обеспечивающего существование жизни, составляет солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. В круговороте веществ и энергии участвует каждый живой организм, поглощая из внешней среды одни вещества и выделяя другие. Биогеоценозы, состоящие из большого числа видов и костных компонентов среды, осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов. Атомы постоянно совершают миграцию через многие живые организмы и костную среду. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать: растения без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и минеральных веществ, а животные баз растений лишились бы источника энергии и кислорода.

Биомасса поверхности суши – соответствует биомассе наземно-воздушной среды. Она увеличивается от полюсов к экватору. Вместе с тем возрастает количество видов растений.

Арктические тундры – 150 видов растений.

Тундры (кустарники и травянистые) – до 500 видов растений.

Зона лесов (хвойные леса + степи (зона)) – 2000 видов.

Субтропики (цитрусовые, пальмы) – 3000 видов.

Широколиственные леса (влажные тропические леса) – 8000 видов. Растения растут в несколько ярусов.

Биомасса животных. В тропическом лесу самая большая биомасса на планете. Такая насыщенность жизни вызывает жесткий естественный отбор и борьбу за существование а =>Приспособленность различных видов к усл-ям совместного сущ-я.

Что такое биомасса, каковы источники ее получения? Что подразумевается под данным термином? В первую очередь отметим, что ее можно считать

Источник энергии

Рассматривая вопрос о том, что такое биомасса, необходимо упомянуть о том, что речь идет обо всех материалах, имеющих растительное происхождение. Для выделения энергии подходят следующие материалы:

• трава;
• древесина;
• древесные и растительные отходы;
• навоз свиней и крупного рогатого скота.

Преимущества биомассы

Так что такое биомасса? Каковы ее преимущества по сравнению с традиционными видами полезных ископаемых? Данный источник энергии обеспечивает энергосбережение, повышает уровень жизни, повышает благосостояние, снижает уровень бедности.

Современные энергетические системы, которые создаются на основе применения зеленой массы, являются потенциальными механизмами избавления жителей сельской местности от бедности. Источники биомассы можно найти в любой деревне, селе. Они позволяют создавать не нанося ущерба экологическому состоянию местности.

Доступность топлива, получаемого из биомассы, способствует развитию энергоемких производств, расположенных вдали от крупных промышленных центров.

Рассуждая над тем, что такое биомасса, заметим, что это ресурс, позволяющий в любой момент получать необходимое количество энергоносителей (биогаза).

Среди недостатков применения травы в качестве источника топлива необходимо упомянуть сезонность, поэтому более выгодным будет использование подобной технологии в теплых регионах.

При рациональном использовании энергии биомассы можно рассчитывать на недорогую электрическую энергию без существенных затрат.

Вопрос является особенно актуальным по причине уменьшения запасов традиционных источников углеводородов.

Старшеклассникам, изучающим экономику, предлагается такой вопрос: «Определите значение терминов: «биомасса», «биотопливо». В качестве ответа подразумевается рассказ об основном компоненте - зеленой траве, торфе, опилках. Подтвердить эффективность применения биомассы в современной экономике можно с помощью математических вычислений.

Примеры расчетов

Можно оценить эффективность использования навоза для получения Учитывая вес крупного рогатого скота, количество навоза, выделяемого за сутки (месяц), объем газа, который можно получить из килограмма коровьего навоза, можно рассчитать общий выход топлива.

Умножив полученный результат на стоимость одного литра дизеля, можно получить денежный эквивалент. Для того чтобы расчеты были полноценными, вычитают все расходы, связанные с приобретением оборудования, а также его установкой и обслуживанием.

Для вычисления окупаемости проекта, его рентабельности потребуются более сложные математические действия.

Поиск альтернативных способов получения энергии является одной из приоритетных задач, поставленных перед отечественными энергетиками. Применение биомассы является одним из способов решения проблемы энергоресурсов.

Биомасса - это термин, который используется для характеристики любого органического вещества, созданного при фотосинтезе. Данное определение подразумевает наземную и водную растительность и кустарники, а также водные растения и микроорганизмы.

Особенности

Биомасса - это остатки жизнедеятельности животных (навоз), промышленные и сельскохозяйственные отходы. Данный продукт имеет промышленное значение, он востребован в энергетике. Биомасса - это естественный продукт, в котором содержание углерода настолько высоко, что его можно использовать в качестве альтернативного вида топлива.

Состав

Биомасса - это смесь зеленых растений, микроорганизмов, животных. Для того чтобы восстановить ее, необходим незначительный временной промежуток. Биомасса живых организмов является единственным источником энергии, способным выделять в процессе переработки углекислый газ. Основаная ее часть сосредоточена в лесах. На суше в нее входят зеленые кустарники, деревья, а объем их оценивается примерно в 2 400 миллиардов тонн. В океанах биомасса организмов образуется гораздо быстрее, здесь она представлена микроорганизмами и животными.

В настоящее время рассматривают такое понятие, как прирост количества зеленых растений. На долю древесной растительности приходится примерно два процента. Большую часть (около семидесяти процентов) от общего состава вносят пашни, зеленые луга, мелкая растительность.

Около пятнадцати процентов всей биомассы приходится на морской фитопланктон. Благодаря тому, что процесс его деления происходит за короткий временной промежуток, можно вести речь о существенном обороте растительности мирового океана. Ученые приводят интересные факты, согласно которым достаточно трех суток для того, чтобы полностью обновить зеленую часть океана.

На суше данный процесс протекает примерно за пятьдесят лет. Ежегодно происходит процесс фотосинтеза, благодаря которому получают около 150 миллиардов тонн сухого органического продукта. Суммарная биомасса, образуемая в мировом океане, несмотря на незначительные показатели, сравнима с продукцией, образующейся на суше.

Незначительность веса растений в мировом океане можно объснить тем, что они за короткий промежуток времени поедаются животными и микроорганизмами, но достаточно быстро здесь растительность полностью восстанавливается.

Самыми продуктивными в континентальной части земной биосферы считают субтропические и тропические леса. Океаническая биомасса представлена в основном рифами и эстуариями.

Из биоэнергетических технологий, применяемых в настоящее время, выделим: пиролиз, газификацию, ферментацию, анаэробное брожение, различные виды сжигания топлива.

Возобновление количества биомассы

В последнее время во многих европейских странах осуществляются разнообразные эксперименты, связанные с выращиванием энергетических лесов, из которых получается биомасса. Значение слова особенно актуально в наши дни, когда уделяется пристальное внимание вопросам экологии. Процесс получения биомассы, а также переработки в промышленности бытовых твердых отходов, древесной целлюлозы, сельскохозяйственных котлов, сопровождается выделением пара, приводящего в движение турбину. С экологической точки зрения он абсолютно безопасен для окружающей среды.

Благодаря этому наблюдается вращение ротора генератора, способного вырабатывать электрическую энергию. Постепенно происходит накапливание золы, снижающей эффективность выработки электроэнергии, поэтому периодически происходит ее выведение из реакционной смеси.

На огромных экспериментальных плантациях выращивают быстрорастущие деревья: акации, тополя, эвкалипты. Проведены испытания около двадцати видов растений.

Интересным вариантом были признаны комбинированные плантации, на которых помимо деревьев, выращивают иные сельскохозяйственные культуры. Например, между рядами тополей высаживают ячмень. Продолжительность ротации создаваемого энергетического леса составляет шесть-семь лет.

Переработка биомассы

Продолжим разговор о том, что такое биомасса. Определение данному термину дано разными учеными, но все они убеждены в том, что именно зеленые растения являются перспективным вариантом получения альтернативного топлива.

В первую очередь необходимо отметить, что основным продуктом газификации является углеводород - метан. Его можно использовать в качестве исходного сырья в химической промышленности, а также в виде эффективного вида топлива.

Пиролиз

При быстром пиролизе (термическом разложении веществ) получают бионефть, что является горючим топливом. Тепловая энергия, выделяемая в данном случае, применяется для химического превращения в синтетическую нефть зеленой биомассы. Ее гораздо легче транспортировать и хранить, нежели твердые материалы. Далее, бионефть сжигают, получая при этом электрическую энергию. Путем пиролиза можно осуществить преобразование биомассы в феноловое масло, применяемое для производства древесного клея, изоляционной пены, литьевых пластических масс.

Анаэробное брожение

Данный процесс осуществляется благодаря анаэробным бактериям. Микроорганизмы проживают в тех местах, где нет доступа кислорода. Они употребляют органическое вещество, образуя в ходе реакции водород и метан. При подаче навоза, сточных вод в специальные варочные чаны, внося в них анаэробные микроорганизмы, можно использовать образующийся газ в качестве источника топлива.

Бактерии способны разлагать органические вещества, содержащиеся в мусорных свалках, пищевых отходах, образуя метан. Для извлечения газа, его использования в виде топлива, можно применять специальные установки.

Заключение

Биотопливо не только является отличным источником получения энергии, но и способом извлечения ценных химических веществ. Так, при химической переработке метана можно получить разнообразные органические соединения: метанол, этанол, ацетальдегид, уксусную кислоту, полимерные материалы. К примеру, этанол является ценным веществом, применяемым в разных отраслях промышленности.

В настоящее время на Земле известны около 500 тыс. видов растений, более 1,5 миллионов видов животных. 93% их населяют сушу, а 7% являются обитателями водной среды (таблица).

Таблица. Биомасса организмов на Земле

Масса сухого вещества	Континенты			Океаны
	Зелёные расте-ния	Живот-ные и микро-организ-мы		Зелёные расте-ния	Живот-ные и микроорга-низмы		Общее коли-чество
Проценты

Из данных таблицы видно, что хотя океаны и занимают около 70% земной поверхности, однако они образуют всего 0,13% биомассы Земли.

Образование почвы происходит биогенным путём, она состоит из неорганических и органических веществ. Вне биосферы образование почвы невозможно. Под воздействием микроорганизмов , растений и животных на горных пород ах начинает постепенно формироваться почвенный слой Земли. Накопленные в организмах биогенные элементы после их гибели и разложения опять переходят в почву.

Процессы, происходящие в почве, являются важным компонен-том круговорота веществ в биосфере . Хозяйственная деятельность человека может привести к постепенному изменению состава почвы и гибели живущих в ней микроорганизмов. Вот почему необходима разработка мер разумного использования почвы. Материал с сайта

Гидросфера играет важную роль в распределении тепла и влажности по планете , в круговороте веществ , поэтому она также оказывает мощное влияние на биосферу. Вода является важным компонентом биосферы и одним из наиболее необходимых факторов для жизни организмов. Основная часть воды находится в океанах и морях. В состав океанической и морской воды входят минеральные соли, содержащие около 60 химических элементов. Кислород и углерод, необходимые для жизни организмов, хорошо растворяются в воде. Водные животные в процессе дыхания выделяют углекислый газ, а растения в результате фотосинтеза обогащают воду кислородом.

Планктон

В верхних слоях океанических вод, достигающих в глубину 100 м, широко распространены одноклеточные водоросли и микроор-ганизмы, которые образуют микропланктон (от греч. plankton — блуждающий).

Около 30% фотосинтеза, осуществляющегося на нашей планете , происходит в воде. Водоросли, воспринимая солнечную энергию, превращают её в энергию химических реакций. В питании водных организмов основное значение имеет планктон .