Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Оптимизация параметров процесса твердофазной метангенерации подстилочного навоза КРС для экологически чистых установок

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация параметров процесса твердофазной метангенерации подстилочного навоза КРС для экологически чистых установок"

!1аучно-исс."едонателъскта Проектно-конструкторский институт О н прикладной биохимии

АН Г* '!■' На праязх рукописи

'{ОШУ'-ТСЦ Ирина Алексантгооння

опширлцй! пара?я7гр0п процрсса т^дк-лгчол г,ютангеп грации яояглшо'шого налога {рс лл.-1 гходогичк;:«! 'пстмх установок

03.00.23 - Биотехнология

' АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1954 г.

Работа выполнена в АО "Биотехнология" /лаборатория бактериальных удобрений /.

Научннй руководитель - кандидат технических наук,

зав.лабораторией бактериальны; удобрений ЧЕЧАСИНА КЗ.

Официальные оппонент*' - локтор технических наук.

Ведущее пррдпричтие - Северо-Кавказский научно-

исследовательский институт животноводства /НПО "ПРОГРЕСС"

Б "__...... ................„ .10

биотехнологии Л.098.09.01 . по аяресу: 125299, 'Лоскяа, ул.Чларк .'1етт'ин, 4/6 НПО "Биомат".

С яиссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского гпоектно-конотруктоэского института прикладной биохимии

профессор БОРИСНЧКО Е.Г

- кандидат технических наук, доцент Л0СЖ03А Л.С.

Автореферат разослан

Ученей секретарь Специализированного

i OHXi ХАРАКТЗРКОЖА РАБОТУ

\ Актуальность тдоблеун. Современный период во всем п'.рз характвоязуется Усугублением экологической сатуасхп, что связано с пктягчой хозяйственной гзятельяость» человека. Среди ' о'сг'овннх оагрязпятелей окрукаюшей среда одао из первых мест 'i занимают■ оргяакческаа отходы, Золытуэ часть -'з которых представляют отходу жиротчоЕодства.' Разработка я зкедроазе : '-¿ех-тявннх технологий обеззараживания животноводческих отходов, способных сущзстрвняо'удушить -экологическую ситуацию, является актуальной проблемок.

• 1 Объектом исследования настоящей работа явилось использование подстилочного навоза крупного рогатого скота /ХРС/ в качестве перспективного субстрата совремечлой технологии обеззараживания - метанового сбражигания в твердойазном режиме.

Í Оптимпзац-'я процесса твердодазной к'-етанге.чераяхи /T¿ü/ подстилочного навоза КРС, пмзвдал целыл упелэтензе выхода биогаза, качественное обеззараживание субстрата ap'.s относительно равномерном и стабильном протекании процесса, делает актуальным проведение панно?, работа. СуиествуютаЗ в настоящее вреуд подход к вочпоезм оптимизация процесса метаяового сбражяваяля сло'ягшх субстратов позволяет рассматривать предложенный в настоящей работе вариант так наибе °е сч;ектпвннй и рациональный.

; Диссертационная работа посвящена выбору оптя.\\плм!ого варианта тпердск;азкоЛ метпнгамерацип подстилочного навоза ХРС с применением азробного способа предварительной обработка сырья.

Teva диссертационной раоота связа!;:. с научно-технической программой Г."14.01,: "Разработать и создать производство энергетических комплексов с использованием возобновляемых источаи-коп и осуществить в Краснодарском крае мрокомаси;таб!:кП зкепе-римонт по их применению .идя объектов агропромышленного, янлящ-ио-грпждпиского и куроргно-оядоропительмого назначения"".

Цель р."бппi. Вибор варианта технолог?» твердофазной ve-тангенерации подстилочного навоза !СГС, наиболее полно отвечающего требованиям coi реуепноЯ хивотновоячеоксЯ отрасли. сочетающего в себе сохранение окологачеокоП чистоты, а также сбережение аиерго- я других ресурсов - яплчетоя цмыо данной диссертационной работы, ■

LlüJiii'líLJi'lil-ÍISAÜ-'lSiili5 ~ Иооде--»иать змкономериооти тнердо^ляной Ыйтангемерацяи под-- , стнлочного нпнозн Kl\;¡

- определять влияние различных (¿актороз на биохимический процесс Т£М;

- определить критерии эффективности технологического процесса Т^У;

- оптгкязяровать параметра технологического процесса ТОМ;

- разработать технологический регламент э^ектишого процесса Тй!.

Методы послддоваядя. Поставленные задачи решены с применением ..язико-хЕмкческях и микробиологических методов анализа сырья, сбраживаемого и сброженного шлама, кетодоэ математической саатистккг и катематического моделирования с применением

сВМ. ' '

Н?тчная но?"зиа. Разработан элективный вариант т<ш подстилочного нгзога КРС, основанный на экономически обоснованном способе предобработки сырья - аэрацки. На основании цифровых ■ данных эксперимента разработана статистическая модель процесса Т4>.'Л, позволившая в цело:,: определить оптимальные параметры процесса КМ, отвеча^щтг гысоютм требованиям, предъявляемым технологии метанового сбраязвгная.

ГГоРч-ачдскзя п*^ность. Разработанный вариант Т£.М подстилочного навоза КРС является:

- рестрсосберегаэдид за счет ограничения использования воды, сгоитадьяых-материалов и земельных плоеадей;

- энергосберегающим за счет выработки энергии в виде биогаза и количестве, существенно компеяспруэдем общее энергопотребление ферм: ' -

- агрохимически выгод .м за счет выработки полноценного органического удобрения с улучшенные качествами;

- экологически чистым - за счет обеззараживания сырья.

ое?у*ьтатоа табчтч. Практические работы проводились на базе колочяо-тов&рной учебного хозяйства "Краснодарское". По результатам исследований '"<ыла приобретена экспериментальная установка с объемом реактора 1 к"5 для КМ подстилочного навоза.

Аггробапкп ¡у.боты. Основные отапы работы докладывались и обсуждались пп каучнс-технилесксй ко:ие?.егаг/з "Состояние и перспектива использования нетрадиционны;; возобновляемых "источников энергии" /Ссвастетль, сентябрь 11-20 г','/, региональной кпучне-техккческо!! кая^еряиц::*: ийетрадкц:'.0;тцв п:;ды енаргетк-

ки и проблемы рнергоконверс/и" /Краснодар, февраль 1839т,/.

1 Публикации. По тем": диссертации опубликовано 4 печатных работы. Список публикаций приреден в заключении ав?оре;,е-• рата.

\ \ Объем,работы. Диссертационная работа состоят из введения. •.7!глав, ргзоме. odaaat выводов, изложенных на 149 с. и вкляча-1 ющих 19 таблиц на 21 е., 11 рисунков на 9 с',. библиографий яз 150 наименований па 12с. и приложения на 1 с.

С0ПЕРШЯВ РАБОТЫ '

' ! Первая глава посвящена обосновании актуальности научных исследований. проводимых в данной диссертационной работе.

' Анализ сужествугацих технологий утилизации животноводческих 'отходов показнвг-ет, что одно1/, из перспективных технологий является метановое сбраживание, применение которого на животноводческих объектах позволяет рекить сразу несколько проблем, остро стоящих перед отраслью:

: - экологическую: в процессе г.-втаксвого сбраживания происходит э^.ективг-гое обеззараживание: наблюдается гибель патогенной и условно патогенной мякро!лора, а таю« семян сорня- •• ков. Шлам дезодорируется. Переработка идет на компактной установке, отпадает необходимость 1ольяих площадей для сброса отходов;

; - агрохимическую: анаэробно обработанная масса приобретает свойства шсококачественного кянералазовлпкого органического удобрения за счет образования и накопления аммонийных 1^орм азота;

- зоотехническую: шлам содержат поляк» комплект аминокислот и вит. D^g, и при особом соблюдении требований к обез-заражираниш сырья, может быть использован в качестве добавок К (¡уряжу скота;

- энергетическую; образующийся в процессе метанового сбраживания биологический газ /биогаз/ может быть использован для частичного удовлетворения тепловых и электрических нужд хозяйства.

Технология метанового сбраживания условно разделяется на две |]ормн: жидко>1пзяую уетпигеиераци» и твердо.;азную мв-

таигенвраци» /1'Л/. Ti'M позволяет расширить рамки практического применения технологии в целом. Преимущества и перспективность Д...1Н0Й цормы метанового сбрпжипанил заключается в ело- ' дуад«М! '

¿г

1. Сбраживании мокет подвергаться субстрат с большим ди- ■ апазоно« по влажности /от об/ до 55%/.

2. Наблшается тенденция к ресурсосбережению /снижение расходов вода при проведении процесса и значительное ограничение в использовании с.-х. угодий для хранения . шлама и размещения технологического оборудования уста- ■ новок сбраживания.

3. Характерно сбережение денежных средств,за счет модифицирования технологической цепи.

4. Повышается потенциал энергоотдачи технологии за счет использования в качестве сырья - отходов с повышенным содержанием органических веществ.

Углубленное исследование ТУМ, разработка наиболее эффективных вариантов в настоящее брем? считается актуальной зада-, чей.

3 последние года в краснодарском крае намечена тенденция расширения сети мелких животноводческих хозяйств "семейного", ' типа к дробления крупках объектов ка небольшие индивидуальные частные предприятия. В хозяйствах указанных типов практикуется улучшенное содержание скота. £дч повышения комфортности условий существования животных используется подстилочный материал и, таким образом, основная часть животноводческих отходов представлена пометилочным навозом.

Технология метанового сбраживания, Тй1 в честности, может < быть успешно применена в тагах хозяйствах как основная технология утилизации отходов, способная обеспечить безотходное, экологически чистсе производство.

Зтопая глава посвящена аналитическому обзору по вопросам технологии метанового сбраживания. Особое внимание, уделено метановому сбражавэнию подстилочного навоза КРС. 3 отдельном разделе проведен анализ факторов, влияющих на процесс-метано-образования.

Метанообразопание как биохимический процесс был открыт в 1776 году Вольтой при исследовании болотных газов; По совре- ■ менным данным в процессе метаногенеза прижигает участие более 1000 микроорганизмов. Изучение-жизнедеятельности микрооргаяиз-мов-участкиков метанового сбраживания и. з частности, метано- • генов, способных на завершающей стадии метаногенеза вирабаты- ■ вать энергетический продукт /бкогаз/ - с давних времен является предметом усиленного внимания ученых.

Первые работы по исследовании кетакогеков начаты во вто-

рей половине прошлого века. 1906 год положил начало созданию й развитии теории биологического образования метана, основоположником которой явился З.Л.Омелянский.

' ; X концу 50-х годов, благодаря получения высокоочищенных ;культур метаяогенов. удалось собрать набор физиологических данных о них. Это впоследствии способствовало выделению мета> нйгеяов в отдельное семейство Tiethanobacteriaceas . значительные сведения о метаногенах получены Х.А.Баркером, С.И.Ку. :-:ецо-вым. -

По современным понятиям известно около 50 видов микроорганизмов. способных вырабатывать метан. Яо используемому субстрату метаногены разделяются на 2 группы.

. i Микроорганизмы 1-ой группы: rotbanobactoriun, Kethaaococ-cu3,: llethanospirilliaa, KethsaonicroMua, I'ethaao^onlm используют в качестве субстрата Н^/С^ или д,ормиат.

i Микрооргаияами 2-ой группы: tsatbemothrix, rethanosarw cina, MGthsxiopXanuB • ' ~ использувт ацетат, метанол, метиламины.

В настоящее время метановое сбраживание, по общему мнению. рассматривается как трехстадийный процесс. Па первой стадии происходят ферментативный гидролиз основных компонентов органической массы /жиров, углеводов, белков/. В целом продук-. тага гидролиза является высокомолекулярные кислоты тарного ряда. глицерин, пептиды, аминокислоты, моко- И дисахара, в небольшом количестве - уксусная кислота, метанол, аммиак, водород. Гидролиз осуществляется представителями родов Clostridium, Bacillus • а такте ферментативными бактериями Bacteroi-daa, Butivibri, iSubaateriun, BifidoDooteriura, Lactobacillus. Целлмозу разрушают в основном пас. callulocae.diaolvona.Plec-tridiun,Cl.therc.ooallura, Cl.allipeosporoconea. Гидролиз белков осуществляют proteus vulgaris, S.ooli.Cl.putrificum.

Вторая стадия - кислотогенез - осуществляется практически теми же ферментативными бактериями. Продуктами стадии являются уксусная, муравьиная, масляная, пропионовая кислоты с преобладанием двух поел? 'Лих. Как следствие 2-ой стадии - ацето-генез - осуществляется ацетогенннмп микроорганизмами, количест- • во видов которых крайне незначительно. К. ним относятся: M^tha-

nobacillus Onuliauoliii, Syntrophobact'r volinii. Продуктами ацетогенеза являются уксусная кислота /в превалирующем кс-ччестве/, '.¡енилуксусная, пропионовая, масляная, изомас-ляная, бензойная, индолилбензойнач кислоты, аммиак, сульфиды,

г

бугаяал, яропансл, водород, диоксид углерода я др.

Собственно уетаногенез является заверхаэшей стадией кета-нового сбраживания. Образование метана кккроорганизаиами 1-ой группы может быть представлено следующими уравнениями: С02 +" 2Н2 ^ СН4 + 2Н20 4КС00" + 4Н+ —2СН4 + 2Н20 + ЗС02

СО + 2л20 —СН4 + ЗС02 -

Представители 2-ой группы метаногенов образуют метан следующим образоч:

СН СОО" + К+ —» СН4 + со2"

4СН3СН —> 30Н4 + С02 + 2Н20

4СКо Ко + ги0о —-*• ЗСН, + С0~ + ' 4 Н*4

w О <> *± С

2/Ctíg/2 + 2Н20 —V зсн4 +С02 + 2

4/СЯ3/3 IÍ+ Н- 6Н20 есн4 + ЗС0г + 4 Н+ ■

Мгта.черое ебраживакле подстилочного навоза йРС осуществляется по общепринятой cxi.ve. Необходимо отметить, что гакробиологи-ческий состав данного субстрата крайне многочиеленен и лля него характерны практически зсе виды взаимоотношений, присущие микроорганизмам.

Основной микробиологически?. состав формируется в рубце жвачных. Число бактерий достигает около 150 видов. Pyósu пред-отйвлчет собой почти идеальный природный ¿ерментер для размножения популяци?. бактерий и простеЙ:зх.

При хранении подстилочного навоза превалируют аэробные процессы: аг/агони^пкация, нитрификация и денитрихпкация. Прл : ' создании анаэробных условий, например, при загрузке в анаэробный рчактрр, з навозе происходит изменение соотношения микробиологического состава. Все вида неспорэобразусщгх микроорганизмов. грибов и аятляомщетав погибают, облигатные п спорооб-ргзу.ющне приостанавливают evo» деятельность. К анаэробному гидролизу приступают ферментативные бактерии, г.иры расам аляат-ся fipiüiws со áudatu.i, Ovidiprodiniwn ж.-^sii, Ophryoscolox cauda-tun, Poiyplast-'on. nul-tivosioulatw:, Sutoainiur. eaudat-cn. Еелки расщепляются Butyrivibria ñuccinovibric sp.., Sue.

■ l-uiránantium ver lictilytica, Barellia' s;).", Bnctcroidas sp. Углеводы, n частности крахмал, разрушится Be.ctoroi'-ios eailc-ribillus, Str.bovis, Succino:,:ot.ac anylo3Lii"ica, áuboct-jriua. Литиевые разрушителя илллтлозы: TSactfrcliaoe, Ъ-út-.-i'ívibrio,

Clostridiur., líub-octarlua:.

■ 's

'. Лигнги, рходтцяй в состав лягчсцеллкимзного комплекса подсти-" ' лочного навоза, разрушатся микроорганизмами из рода ciost-'l ridium iîseiiericiiia coll.

. К настоящему временя накоплен значительный опыт в плане изученности процесса метанообразованяя. Особо? значение при • -.атом имеат svkmарность факторов, существенно способных влиять , га процесс мстакогеназа. Таковыми являются:. ; i. - элатность исходного сырья;

1 - температура и степень поддержания ее в период ¡¿.ермеита-М ' uhUs . '

■ i - рН сргда; ' ; 1 - содержание аму.ени&шх иояоа;

1 - наличие тяжелнх металлов и токсических веществ, ингиби-1 ' ; торов процесса:

■ - давлении» внутри реактора; j - соогяоЕ'Же С/Л;

- каесообмен во время ферментации;

;- размер твердых частиц.

На®бол$-2 важным фактором, регулирующим в целом процесс метанового сбраживания, является фактор влажности. Данный фактор в жядко^азном режиме метангенерации играет основную роль и требует к себе серьезного отношения-. При ÏWM влияние фактора влажности смягчено возможностью расширения верхних границ. Наиболее часто встречавшийся интервал гарьирэяаная по влажности для ТОМ - от 55$ до 86%.

Важным сопутствующим фактору влажности считается ¿актор перемешивания. При ЕзМ возможен щадящий режим перемешивания и .использование широкого набора способов и средств для .его осуществления. При Т&М давний фактор имеет особо важное значение. Перег/есгаваяие в данном случае обеспечивает нормальный массо-и теплообмен, который особенно затруднен при Т-Ш из-за поня-. ' жеяной влажности субстрата.

Фактор температуры является также немаловажным. Соблюдение температурного рекика и поддержание его на относительно постоянном уровне обеспечивает стабильное протекание процесса ' сбраживания. Ifrsrçecc кэтакегенвза по температурвим зекам раз-• делается: на петофэ$нльныа.реявм /до плюс 20с'С/. мвэофнльнвй ■

20-40°С/, термофильный /пляс 50-60°С/ с лрзиеяуггтакй -яз;г.<5Т0Лвраяткнй - /плвс 40°С/. Дет l*il терае|ильный ркзпа г,-'-..'*•• наябвнве© '3$['й'.-:тгншл4 в плана шраЗгткз биогаза;

"•i T-W sjmrsret» "бачпэ срадазэ температурь', хотя занк-

- (ядасестк. г:л:заемсгз бягг&з& ет позывенюг тем-

/г?

. пературы сохранена для TC.V так же, как и для >ПСМ. Однако, необходимо ответить, что повышение температуры при проведении процесса з твердо^азясм режиме вс избежание слипаккя компонентов /коксования/ кокет бить допустимо только при,условии тщательного перемешивания.

Фактор кислотности среды /рЯ/ имеет в целом,важное значение для нормального протекание процесса кетаногенеза7 Однако, необходимо отметить, что в процессе сбражиганхя происходит стойкая адаптация кикрсорганизмов к незначительным неблагоприятным изменениям в среде, к некоторые отклонения от оптимальных значений рй ке оказывают пагубного вляяккя на деятельность микроорганизмов. То же самое относится и к (¿акторам содержания адаонийкых ионов, давления, соотношения С/м.

.Особое внимание уделяется чактору подготовки сырья к сбраживанию. Для TU* правильно поде, способ предобработки обеспечивает'максимальный контакт.микроорганизмов с питательной средой и тем сагам способствует интенсификации метаногено-за.

■ Pj третьей главе представлены теоретические разработки технологической схемы ТШ подстилочного навоза КРС. Яри разработке вариантов технологии метанового сбраживания пользуются основным оценочным параметром - удельным еыходом биогаза. Удельный выход биогаза рассчитывается по'<*.ор?«уле:

ЗхОЗхРхХ v &

i =----------------х % , где

100x100 (

3 - суточная доза загрузки реактора, кг/м3-сут.:

ОБ - содержанке органит оких веществ з биомассе, %•,

Р степень р:.спада органического зещества в ходе сбраживания, %;

К - выход биогаза с 1 кг разложившегося органического вещества/РОЗ/, м . данная величина определяется экспериментальным путем;

t- время удерживания биомассы в реактора, сут.

Анализ данного уравнения показывает, что в принципе проведение процесса метанового сбраживания в твердофазном режиме при постижении одинаковой глубины конверсии органических ве-иеств в течение определенного времени сбраживания, значительно выгоднее жидкезазяого варианта.

С технологической точки зрения основная сложность яря разработке элективного варианта TW заключается в снижения

//

, времени, необходимого для конверсия органических веществ суб, страта. В твердофазном режиме скорость процесса метгнгекерации ! лимитируется стадией гидоелтеа высокомолекулярных соединений /дервичшй субстрат/. Уменьшению времени сбраживания могут спэ-'(о'рбствовать:

■ | ! . - влажность исходного сырья;

■ ! ^ - рабочая температура процесса;

I ; - технологические приемы активации процесса; ' , - способ предварительной обработка сзрья. 1 | Опыт разработки эМехткя-шх технологий метанового сбраг'я-ваф;>т показывает, что подбор оптимального значения влажности суфтрата следует осуществлять в диапазоне, характерном для конкретно исследуемого сырья. Температурные оптимукы определяются на основании экспериментальных исследований. У.з технологических приемов наиболее часто применяются: введение ¡экзогенных Добавок в сбраживаемую среду для оптимизации С/у, продувка биомассы газо-тюздуганой смесью в случае "закисаняя"/оряентиро-вание процесса по углекислстно-водородному пути/: интенсивное , перемешивание и активная откачка газов из сбраживаемо!; среды в случае "заще.яачявэнияи/накопленяя аммонийных конов/.

По мнении ученых, занимающихся.проблемой метанового сбраживания в твердофазном режиме,'предварительная обработка сырья является обязательным условием '¿¿М подстилочного навоза КРС. Это ^связано с необходимостью стимулирования и создания благоприятных условий протекания гидролитической стадии процесса, которая кзначально затруднена из-за содержания в биомассе лиг-яо-целлвдозного комплекса /ЛXV. Пргменнтельно к ТмА! особый интерес представляет разновидность биологической обработки -предварительный частичный ферментативный гидролиз субстрата в аэробных условиях. При аэрация используется мощный потенциал гидролитической систсма аэробной микрофлоры. Особое значение при разрушении ЛЦЧ имеют грибы. Окислительные процессы экзо-термичны, и благодаря этому доходная биомасса без дополнительного искусственного обогрева получает тепло.

При разработке _ ^>хнологаческоЯ схемы анаэробного сбраягл-вания с предварительной аэрацией должно быть уделено основное внимание выбору оптимального периода и условий аэрации.

Четвертая глава посвящена экспериментальной части, в которой отражены цели изадачи конкретных экспериментальных исс-ледова! й. В отдельных подглавах описаны методики проведения . исследований, представлена собственно экспериментальная часть.

гг

матег/атическая обработка экспериментальных данных с составлением статистической подели процесса. . '.

Експеряментальяая часть работы была проведена в тря последовательно связанных этапа, задачами которых соответственно были:

1. 2ыбор оптимального способа предобработка сырья.

2. Выбор оптимальных условий реализации выбранного способа предобработки сырья яа (¿от варьирования 2-х наиболее важных ^акторов -влаг.нссти и: температура.

3. Определение конечных значений входных и выходных пара- . ветров исследуемого.варианта технологии. Ханная задача вклэчала в себя также обработку катетатичееяих данных

с составлением статистической модедх процесса с целы? подтверждения полученных значений параметров.

При проведения экспериментальных исследований предусматривалось осуществление контроля за процессом сбраетвания. ехля-чаюаего в себя определение динамики химических, дизических. са-нятаряо-:.:икробиологических показателей биомассы, а также энергетических показателей газообразных продуктов сбраживания.Конт-• родзруемне хпкическке показатели: содержание сухих веществ, органических веществ, золы, азота /общего, аммонийного/, углерода. жиров, белков, летучих жирных кислот:санитаряо-микробиоло-гглесга'е показатели: общее микробное число, спорообразуг'дке, макроскопические грибн, бактерии группы кишечной палочкл:эяер- . геткческяе показатели: обсий сбъек биогаза, компс-ткый состав.

Для определения основных показателей в ходе экспериментальных рабсг были прпн; гн стандартный .уетоды контроля.

В качестве исходного сырья использовался подстилочккй навез ГСС. ЕараЗатывавшй на молочно-тсварисй $<гркв учс5когг хозяйства "Краснодарекое".

Использована 3 типа бнорезяторов: с?еял.ткга;3 с камера 0.5 л без средств переглгшжкяч. СБегс::еярсы;'.с&е>&а пластиковый реактор сбъе.%:см 1 л и пеекзй реактор с

екаетроваины» внутренним яокэатя«! ее. срсдствакя ге?:даг,га-дни и лопастной кеаалзсЗ /70 сб»/?.гш./.

На 1-стл этапе экеяержентглы-хх исследсзанхй баЖ ссегтз-лек ряд опытов с вариантами. стособы

оброботкг исходного сырья, каяОояе-а чаи о зуатекг-.-етли яра;;-тхк*: аэрацггт, игмельчензч с '--с--

денет ояьог«гт:!г.'х дсГагск. ТЧсуу^.-агы поог.шг..-:- г-^х,:—г»

кг.:-:5слсе ектгпк;;? сюсоб предо ЗргЛзтет окр-»'» - ыз-.

/У

На ряс.- 1 показано влияние различных' способол прэдсбрабс кл сырья на процесс газогидплзгпк.

.130

«сэ

«о ■ rt р о

С' ^^

г.. а ю к

о S Й о с!

с

с; й ^

150 120

90 60

30

Х J*

' /

*

У /

о /

«Ur 0

5 10 13 20 25 30 35

ярз:л i.ept-iSHTSsr.;?, сут.

1 - вясазояанякл субстрат ; ■

2 - субст,'"; с nz?:z'.zzb;-s:r- r-r.vrv.ггет'-П у'//;

3 - субстрзт ilea

Рго«1. Зважи» способов врадгсЗ^Истжг скрьт т бчймЬз

Крякве pre И яоквзывззг, что процесс э слуг-г-ч

пршвяввяя способов прегобргботк^г. КСКГгЧС-Г?* сгррцггя, ЗЗУМКЛО? вяло я с уеяхегш«2 рахрзрлеггия продессп по

Roiy пути, '{олгдастяо бзогаза. вырабатргсе-сго з нриззсе 7лг«г1—' зтекеяа с згеяол&эогечкем аэробно" прегсбеаръя, ? чело« равзкяает проведение прсцосса в ре.тг/е г тс

сопоставимо с яскнйкя аяягаркментов, ярел'кгзгг.:;; с '-•„*,•;

источниках.

'.На основания пслучзяивзс данных об

обработки xczor^oro сырья на гглькз?.?*« л^сте^!-;??, т-vcca тетйгсгэр'эза <йгла .тостгвлепа слгзуэгдг: сиргч "ля гкявлеяия оэтг'/альяого периода аэрации

цельэ 2-?о этапа сйглэ "аетч хкявдзтее стр^пх'ггг.'^яах зос.-с;'» •*твий вэрпцгя на состав сЗ^аглдзе^ого сяръч. Сажено услзагтч" -;.тзрпкент.- стельность взрсда? сярелзлеэд х С-ь:-э с;-?"-:.;*-,

тйбл.1. np'^.TCTTw-ii sawae я »-ггзсгв, ястс-::.

-.'ста и ттлепэ.га.

Сог.тлс-чя -crn".--.-: тзбл.1 wo'S-i

' "С У7? Г, 1.7 с'Г,'">«

■■'j. "i^'.-i "у* .о^Сгг:г.' ; •Ю'"":* Г*:;'."1 — ' 'Г?

. ( Таблица 1.

Влияние длительности предварительной аэрации на химический состав исходного сырья

пп ' Наименование ! ' показателя ! « < ! Исходный | субстрат » Длительность аэрации * 2 С7Т0К ! б суток •

1. Ейаяность,^ 85,46 82,26 81,34

2. Сухое ве^ество/СВ/,% 14,54 17,74 18,66

3. Органическое- вещ-во/03/,^11,85 13,23 13,07

4. вольность,% ■ 2,69 . 4,51 5,59

. 5. Содержание 03 в С3,$ 61,50 74,60 70,04

6. Лзот общий,% СЗ 0.1 7 0,16 0,14

7. Потер:! азота,$ . . ■ - 6,55 ' 16,70

8. Углерод.% СВ' 6,30 6,13 6.00 '

9. Потери углерог.о,% . -' . 2.70 4,80

10. Соотношение С/н 37.50 39,00 42,50

11 . рН * ;7,40 9,00 1 10,80

12. Распад ОВ.% - 8,50 14,10

" При исследовании фактора влажности по плану эксперимента и его влияния на процесс метаногенеза было отмечено, что наиболее стабильные характеристики получены в вариантах с большей влажностью / до 86$ /. . ■ /

При исследовании фактора температуры было выявлено следующее: в целом увеличение температуры ведет к'относительному увеличению выхода бкогаза. Однако, было доказано, что термотолерантный режим /плюс 40°С/ обеспечивает более высокие возможности для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов, и как , следствие - более стабильное и равномерное протекание процесса. В ходе экспериментов 3-го этапа были уточнены конечные значения ¿акторов влажности.л температуры, наиболее оптимальные для проведения процесса метаногенеза.

Из 4-х вариантов эксперимента /первые два с влажностью 86,14% о применением рабочей температуры 55°С и 40°С, соответственно; и другие с влажностью 81,97% и температурах 55°С и 40°С/ наиболее элективным признан вариант 2.

На рис.2.представлена аппроксимированная кривая, изображающая кинетику метанообразования в Вар.2.

/S

и

\ 200

03 1 >

о

cg

о о еа (Ц -Е- О

BS50

р• со es о к; а)

о я « »

•i-f А.

'S h

* *

время £.ермеятацпи, сут. Рис.2 Кинетика кетакосбразования /Вар.2/

■ 3 .табл. 2 представлены данные, характеризующие основные выходные параметры Тй.5 по вариантам."

Таблица 2.

Характеристика основных.выходных параметров Tva/этяп 3/

ля! • Наименование ' в.. , , . показателя « j Вар. 2 I Вар. 3 1 Вар. 4

\l. Период хаг-фззн,сут. 5-7 5-9 12-13 13-16

V2. ■\\• Содержание внесенного • 03, г 338,4 338,4 • 440,3 440,3

з: \ Распад органического хвешества,г 118,4 109,0 87,G 81,0

v/анаэробн.усл./,^ . 35,0 32,2 • .19,9 18,4

4. Содержание метана в>биогазе,% 60,5 59,2 49,4 46,9

5. Удельный выход биогаза, мл/г внесенного ОВ 272,9. 258,4 154,2' 134,5

6. Удельный выход биогаза, мл/г раслоуившегося ОВ 779,9 802,2 775,0. 731,1

7. Удельшй выход катана, мл/г внесенного ОВ 165,1 ,152,9 76,2 63,1

Анализ данных табл.2 позволяет подтвердить вывод о том, что Вар.2 по сравнению с другими вариантами близок к оптимальному.

Особое значение на данном этапе эксцерку.гнтадъшх иоследо-

игии? тг^ехо определение динамики химического состава сбражива»-е-.-ого с;;рья с цел ^. -"деления янтенсзвяосги метаяогенеза в гггиси.гостя от степени р.. -'гада основных компонентов биомассы /кироз, белков, целлюлоза/ и сохранения удобрительных свойств ^рсгтепкого шлака /контроль '- за содержаниям аммонийных £орм азота/. Ьтч характеристики процесса метекогенеза' ло бяохкми-™есоГ: ат:т;'Вяост:1 микроорганизмов были проведена анализы по содертакиа лэгучих ,~крнкх кислот в сбраживаемом сырье: серед загрузкой з реактор, на 3-ьи■сутки сбраживания, 7-не„ 15-ые к Зо-из. Засорю степень адаптации и иормяльняВ уровень активности потазали микроорганизмы сбраживаемого сырья в Нар,2. Са:ггтарко-«гпрсбиологическяй контроль за варяантака зкоиери-Г':е:-:та показал, что в результата тепловой экспозиции субсчсата '. в апаероб'йгх условиях происходит относительно качзгтгеико-з обеззаро;™?.£.гке скрья. Агрохимический контроль нэкайал новы-вэн::е садер-гкня а'лмонлГных «.орм азота в оятамальнса Бар.2 в . 1,6 раз по сракнсгст с ксходнкм сырьем.

По дакгом 3-го этапа »гсспергмзнта била проаедийа математическая обрабогха дащаюс с применением методов магсяатячеокой статистик;:. 3 результате составлена статистическая модель процесса кетанообразования в твердофазном режиме. Анализ статио-кодаля и графика значимости ко&.1фяциен'№< рзгразсиа позволял определить конечные входные параметры оот^ал-ъкого варианта технологии сбра^ггкия в твердофазном рекиме: влажность исходного сырья - 85-56^; температура процесса - плис . 40°0; длительность предварительно!*, аэрации - 2 суток. Программа обработки резз^птатоБ эксперимента реализована га языке даг

сг^' н^ЪУ ом . '

глава содержит описание" технологической схемы био- .• энергетической установки /БЕУ/- для твердофазной метангеяерации подстилочного навоза КРС.

3 комплекс оборудования входят следующие производственное элементы: '

- биорсактор;

- приемный секционный коллектор для подготовки сырья:

- приемный коллектор для хранения и последующего исполу- ■ зовакия обработанного ¡¡¡лама?

- гааоаборяик /газгольдер/; '

- система теплоснабжения; -

- система электроснабжения;'

" система газораспределения:

- система авт матического управления- процессом.

Особенностью технологической схемы является налкчие -1-х секторного коллектора для проведения предварительной сзрации субстрата, рассчитанного на непрерывную подачу суточной порции подготовленного навоза в аяаэробнн? реактор. Схема чает в себя элементы по пспольговаяио биогаза г качестве тепловой и электрической энергии.

Потребители тепловой энергии /горячей вода/ - аорма и собственно метантенк. Горячая года образуется в г>одогрэ;ло:л котлэ. Тепловая энергия образуется за счет скчгалля б::огаза, поступающего из гаэгальдера. При отсутствии необходимых запасов биогаза /в реякме раэгопэ мвтаятеяча и при срхв&х технологического процесса/ нагрев води осуществлязтс." с певодьэ систем поддержка в экстремальных ситуациях. Зода, используемая для охлаждения двигателя внутреннего сгорания включается в общуэ систему теплоснабжения.

Потребителя:.:-/! электрической энергии является: коровник / освещение, вентиляция/, механизля навозоудзлекия, цех приготовления кормов, бытовые помещения, электродвигатель измельчителя Б?У и мзпалки реактора. Гяя бэспебойкого снабжения электроэнергией потребителей служат силовой блок я блок управления. Бкогаз трансформируется в электроэнергия путем сжигания его в двигателе внутреннего сгорания с псследуояим .

'•'генерированием его з электроэнергию в газогенераторе.

^ • *

\\ Ьестач глава - это расчет основного технологического обо. рудованая ВЗУ для фермы на 4С0 голов X??. Гаяяая работа выпол- '• . нена с целью определения практической значимости исследуемой • технологии. Ляя .выявления преимущества КМ в. плане выработки энергии и снижения емкости оборудования расчеты токзводмксь в сравнении с ищкооазйш вариантом - ££>!. Исходные др.кяые дяя расчета:

1. Выход навозной массы от 1 коровы в сутки. Расчет по с[орму-* лам д-Зл число, равное ориентировочно 58,95 кг.

2. Суточный выход отходов с <[ермы: равен 23580 кг. .

3. Объем массы подстилочного навоза Х?3 - 22,8

Определение основных параметров БЗУ. 1 . Полезный объем реактора: 395,3 м? для IV;'' к 732,8 для '

Нй!. . \ •

2. Обвий объем реактора: тля Т-1Л! - 494.1 м'"5 к 953,5 д.:я .5, Объем основного яазозохЪанилиаз: дэг обеих редамоа - 2269 м? •1. Сбт-зм д0!Т0лк:'.тельнЬг0 сборника дак разведения бпомпссы во-до"/, рагеч 146,7 гр /только для Т4-У/. • •

//

5. Объем хранилвда для ферментированной биомассы: 4560 м для Т4М и 8800 м3 для ЮМ,

6. Сбъел: секционного коллектора для подготовки сырья- к сбраки-раяил 1 52 м3 /только для Т<£гД/.

Расчет оборудования БдУ показал, что несмотря на введение дополнительного сборника для Т&М, обшпй объем технологического оборудования при T¿M почти :в 2 раза меньше по сравнению с яедь ко^азным вариантом. •

3 отдельном подразделе произведен расчет ожидаемого выхода бкогаза и определение его энергетической ценности. Результаты расчета, произведенного на фоне вариантов К'М и TwM в термофильном режиме, показали, что наибольшее количество товарного бкогаза может быть получено в варианте, входные пара-: кетры которого выбраны оптимальными в экспериментальных исследованиях, то есть варианте в твердофазном режиме, с рабочей температурой процесса - плюс, 40°С.

' Количество товарного биогаза: ~ для /гшос 40°0/ - около 7S3.5 кБт'ч; ■ - для TCV. /плюс 55°С/ - 684,2 кВт-ч; г для Bi,;,! /плюс 40°С/ ¿ 330,3 кЗг.ч. '

Седьмая глава содергит расчет годового энергопотребления £ер?<и КРО на 400 голов.'

. Расчет теплопотребления фермы проводился для объэхтов, использующих' тепловую энергия для отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических ну .гд. При этом учитывалась среднегодовая роза ветров г.Краснодара, ориентация продольной оси зданий, а также климатические условия местности. . ,В качестве конкретного животноводческого объекта была выбрана молочнотоварная ферма на 400 голов учебного хозяйства "Краснодарское". Результаты расчета показали, что наибольшее потребление теллозор энергии приходится на Еесеянэ-зимний период и всего потребление тепловой энергия фермой в год составляет 509S46,12 кВт.ч /для удобства расчета количества всех, видов энергии, потребляемые хозяйством, переведены в яВт*ч/.

Расчет электропотребления фермы произведен по техническим даяннм "Альбома типовых графиков электрических нагрузок сельскохозяйственных потребителей и сете£". В основу расчета положена вероятностные характеристики нагрузок потребителей. Расчет показал, что общее электропотребление на ферме /на пркмэря фермы учебного хозяйства "Краснодарское"/ составляет 530,35 f.íS т/час. Ha¡ .большее потребление энергии так же, гак и y¡ случае с потреб тением тепловой энергии, на весенне-зимлий

период.

На основании расчетов годового энергопотреления молочнотоварной сермн яа 400 голов КРС о использованием конкретных текущих данных, за'1иксироват?нх в указанном типе хозяйства, был составлен энергобаланс. Работа по составлении эяергсба-лачса была ориентирована на выявление значимости БСУ, как дополнительного источника энергии, способного частично удовлетворить потребности хозяйства в энергии.

В табл. 3 представлены результаты расчета энергобаланса.

Таблица 3.

Результаты прогнозированного расчета внутреннего энергопотребления (*ермы на 400 голов ХРС при использовании энергии биогаза .

т АЗ! Наименование | ■ ¿>орма с&рааиванкя

1 показатели ¡Тй'/плюс 40°С,!а;//илЕС 40°«.

1 ! 2 ! 3.! 4

58,25 0,15

23580,00 44,00

93,00

4,80

'2735. СО ■ 62,20 32.20 254,30

83250,СО

5.5.

1,06

V

1. Выход'отходов от 1 гол. ШЗ:

• кг/сут.

м3/сут.

2. Суточный выход отходов с фермы:

\\ - кг/сут.

\\ к/су?.

3.\Влажность исходного сырья \ /усвздяенные данные/:

\\ %

4. Содержание 03 в биомассе:

• \\ '% ■

5. Выход 03 на ферме:-

кг/сут.

' \ • . кг/м 'сут.

. 6, Распад 03, %

7. Выход бйогаза, м~/сут.

8. Выход бйогаза, м^/год. /300.суток эксплуатации ЕсУ/

9. Теплотворная- способность

биогаза:

кВт-ч/:,:"

о

10. Выход энергии с 1,м биогаза с

учетом к.п.д. поеобразовакия: кВт'ч

58.55 0.06

»

23580 ,00 • 22,80

86,40

.11,60

2735,00 . 120,00 32,20 687,00

206100. СО

' 5.6

1.66

Продолжение' табл. 3.

2

3

1 1. Выход энерн: биогаза:

получаемой кз

кйт'.ч/сут. 1140,40 кВт ч/год. 342120,00 12. Расход биогаза на собственные нужды: . м°/сут.

О

м /год

205,00 61800,00

471,50 141581.40

85,30 25590,00

- для ТаМ /плюс 55°С/:

м'/сут. 274,80

г/, /год, 32440,00

13. Выход торарк'.,' энергии:

хЗг*ч/сут.1 7S8.50

кВт-ч/год.; 239550,00

- для та; /плюс 55°С/: .

• кЗт-ч/сут.' 664,20

кВт ч/год. 20525,00

14. Екергетические потребности Ч*рмц в тепловое энергии:

кБт-я/сут. , 1396,00

кЗт.ч/год: • 50954С.11

• , в электрической энергии:

кЗт-ч/сут. 1477,60

кВт.ч/год ' 539350,00

15, Рсего требуется энергии на ферме:'

кВт-ч/су т. '• 2873, fiQ

кПт•ч/год, 1048864,СО

16, Удовлетворение энергетических потребностей £.ермн за счет' товарной энергии биогаза, /с учетом потерь энергии/ 27,80 -лиг Wi /плис 55°С/ • 23,80

330,30 &90Э0,00

11,50

Анализ данных энергобаланса показывает, что общие энергетические потребности- !{ермы составляют в сродном около 1396,00 к3т'4/сут, /или 505546,12 кВт-ч/год/, При использовании БЗУ на ч.ерме за счет вырабатываемо2 ей анергии порядка 11/3,50 кЗт-ч/ сут. товарной енергии становится возможным частично сократить посгуяление энергии из централизованной сети.

Очс-иидло, что Ьаиболее энергетически выгодной биогазоьой

с?/

установкой при сравнении трех вариантов: Ей! -/плзс 4Э°С/, Т. У

- /плюс 55°С/л Тй.' - /готе 40°С/ является установка, ряботя»-иая по последнему технологическому режиму. Удовлетворение энергетических потребностей фермы в данном случае составляет * 27,8? против '11, Ъ% для КМ /штос 40°С/ я 23, для 7V" /пдаэс 55°С/.

По данной работе мокко сделать следующие вдвое::

1. Из доступных в практике способов предобработки сырья наиболее элективным считается аэрация, с помотаю которой осуществляется частичный гидролиз первичной бнокассы.

2. Процесс метанообразования при сбраяавЕНгл; подстплочко-го навоза КРС в твердофазном режиме осуществим при влгжгести исходного материала от 82 до 86;?. Наилучшие показатели по удэль-яоку выходу бгогаза получены в вариантах с влажностью с6%.

3. Температура - стимулирующий фактор дат метакообразова- ; ния. Увеличение температуры способствует выработке большего количества биогаза, однако не гарантирует стабильности протекания процесса. Термотолеранткый режим, протекающий при температуре плюс 40°0, признан наиболее.выгодным и, учитывая энергосберегающий характер и надежность в проведении процесса, - оптимальным при выборе элективного варианта Tií.l.

,4. Анализ статистической модели процесса, составленной по' /цифровым дачным эксперимента, позволил определить оптимальные 'входные параметры исследуемой технология: влагность сырья -66/ь; рабочая температура процесса - плюс 40°С; длительность аэрация - 2 суток, и выходные параметры; удельный выход биога-' за у- около 258,4 мд/г внесенного .ОВ; выход метана - 152,9.ул/г внесенного ОВ; содержание метана в биогазе - 59,2%; распад ОВ

- за;22. ''...■

5. Результаты по составлению"энергобаланса и расчет основного технологического оборудования ЕсУ по твердофазной технологии в териотолерантясм режиме позволили подтвердить практическую значимость исследованного варианта и достаточную приемлемость -в плане внедрения его в животноводческое производство.

Основные положения диссертация отражены в следующих публикациях:

1. Энергоснабжение жаотнояоводчееккх объектов с -использованием \нетрадиш?онЕнх возобновляемых ясточнг.ков/Си-

маякоз B.C., Ihsko В.?.?., Колотеец К.А., Скудяна И.А. //Нетрадиционные виды энергетики и яроблеш энерго-инверсчя: Тез.дохл. региональной теор. хонтерекцо.-араснодар.1 SSS.- С.5-7.

2, Коломиец И. А, Рекомендации основных направлений разработки малых биоэнергетических установок приусадебного типа/ Ред. журк. "йззесткя Российской Академии наук.Сер.биологическая".- М.. 1593.- Принята к опубл.

2 5.11.93. • ,

3, Коломиец И.А., Скудяка И.А..' Коисеенко Л,В. Выбор перспективных технологий метанового сбраживания подстилочного навоза КРС/. Ред. жури. "Известия Российской Академии наук.Сер.биологическая".- И., 1993.- Приня- • та к опубл. '2 5.11,53,

4, колонией М.А. Оценка автономного энергоснабжения на животноводческих объектах Кубани/ Ред.жури. "Известия РоссгйскчЯ Академии наук.Сер.биологическая".- М., 19ЭЗ.-.1, .шита к опубл.'2 5.11.93. ■