«Совершенствование технологии анаэробной переработки навозных стоков свиноводства в условиях Республики Бурятия»

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана краткая
характеристика работы, определены цель и задачи исследований.
В первой главе проведен анализ образования органических отходов
животноводства в условиях Республики Бурятия, пути и методов их переработки; рассмотрены основные направления существующих методов совершенствования процесса анаэробного сбраживания навоза и навозных стоков; даны конструктивные особенности метантенков; осуществлен аналитический обзор методов переработки органических стоков в метантенках с биофильтром.
Ежегодное образование органических отходов животноводства, по данным Госкомстата Реапублики Бурятия, составляет около 950 тыс. тонн, из них свиноводческие – более 320 тыс. тонн. Использование отстойников, биологических прудов и лагун, навозохранилищ и навозонакопителей ограничиваются особыми требованиями к природно-климатическим условиям Бурятии. Отсюда следует, что в данное время из наиболее перспективных направлений обеззараживания навозных стоков свиноферм является анаэробная переработка в биогазовых установках.
Одним из путей совершенствования процесса переработки навозных стоков в анаэробных условиях – это применение биофильтра, т.е. продление срока функционирования метанообразующих микроорганизмов в рабочей камере метантенка (рисунки 1 и 2).
Рисунок 1– Основные требования, характеристики и достоинства к анаэробным биофильтрам
а) дисковые б) рулонные в) засыпные г) блочные Рисунок 2 – Конструктивные особенности жёстких анаэробных биофильтров.
Накопление метанообразующих микроорганизмов в метантенке позволит остановить процесс метанообразования на любой стадии и повторно применить биофильтр, что особенно важно при переработке навозных стоков. Это направление совершенствования процесса переработки высококонцентрированных навозных стоков, изучено недостаточно.
Во второй главе изложены результаты теоретических исследований совершенствования процесса переработки навозных стоков, разработаны динамическая и энергетическая модели биогазовой установки с биофильтром в метантенке.
5
Совершенствование переработки навозных стоков свиноферм направлена на накопление метанообразующих микроорганизмов в метантенке с биофильтром.
Динамическую модель функционирования метантенка с биофильтром М (А) представим в следующем виде (рисунок 3):
D,% T, сут
Gо,кг/м3
Vc ф , м3/м3 сут C, %
L, %
S, кг/м3
 ,кг/м3 сут
Fб ,м2
М (А)
Рисунок 3 – Динамическая модель функционирования метантенка (М) с анаэробным биофильтром (А)
Входные параметры: доза D (%), периодичность загрузки T(сут) метантенка и содержание органического сухого вещества в навозном стоке Gо (кг/м3); выходные параметры: скорость образования биогаза в метантенке с биофильтром Vcф,(м3/м3 сут), метаносодержание в биогазе C (%) и степень разложения органического вещества L(%); внутренние параметры: исходная концентрация органических веществ в субстрате S(кг), максимальная скорость роста микроорганизмов в заданном процессе ферментации  (кг/м3 сут), общая площадь поверхности носителя биофильтра Fб (м2).
Теоретической основой для построения математической модели процесса накопления метанообразующих микроорганизмов в биофильтрах явилась кинетическая модель Конто, которая применяется к более широкому классу органических стоков. Она описывает скорость образования биогаза VC (м3/м3 сут) в зависимости от технологических параметров процесса переработки навозных стоков:
где Vб(м3/кг) – предельный выход биогаза из органического вещества заданного состава при бесконечном времени экспозиции ц (сут); S(кг/м3) – исходная концентрация органического вещества в субстрате;  (кг/м3сут) – максимальная скорость роста микроорганизмов в заданном процессе переработки; kS – кинетический параметр.
Скорость образования биогаза VСФ в метантенке с накопленной биомассой метанообразующих микроорганизмов в биофильтре определяем по выражению:
VСФ=VС + V, (2) где VС (м3/м3 сут) – скорость образования биогаза в традиционной биогазовой
установке; V(м3/м3 сут) – скорость образования биогаза в метантенке с биофильтром. Отсюда следует, что V может зависеть от следующих параметров:
V = f (Хбм ,Fб, S, L, dS/dц ,  ,ц и др.), (3)
где Хбм(кг/м3) – масса анаэробных бактерий, накопленной в биофильтре; Fб(м2) – общая площадь поверхности носителя биофильтра; S(кг/м3) – концентрация органического вещества в навозе; L(%) – степень разложения органического вещества; dS/dц – изменение концентрации органического вещества за время переработки (ц);  (кг/м3 сут) – скорость накопления микроорганизмов в биофильтре.
Тогда скорость образования биогаза в метантенке с биофильтром определяем, как: V=Хбм × Кб ×(/S), (4)
где Кб(м3/кг) – коэффициент образования биогаза с единицы активной биомассы биофильтра.
V VбS(1 S ), (1)
C

 1 ЦЦS
Массу активных бактерий, накопленных на носителях лопастей биофильтра, определяем по выражению:
Хбм =Fб× ×б, (6) где (м/м3) – накопление активной биомассы в биофильтре;  (кг/м3) – плотность
б
Отсюда, общую площадь поверхности носителя Fб (м2), разработанного нами
биомассы.
шарообразного биофильтра, определяем следующим образом:
Fб =Fл×nл = dш×lш×nл , (7)
где Fл (м2) – общая площадь поверхности носителя (капроновый шнур) лопастей биофильтра; nл (шт) – количество лопастей биофильтра; dш (м) – диаметр капронового шнура; lш(м) – общая длина шнура.
После преобразований выражение (2) скорости образования биогаза с накопленной активной биомассой метанообразующих микроорганизмов в биофильтре примет вид:
VСФ=B S (1 S )+ [Хбм ×Кб ×(/S)] (8) ц ц 1S
Таким образом, получим математическую модель процесса накопления метанообразующих микроорганизмов на носителях шарообразного биофильтра, характеризующуюся скоростью образования биогаза Vc.ф (м3/м3 сут), в следующем виде:
VСФ=VС + [Хбм ×Кб × ( / S )] (9)
По разработанной математической модели (9) и системного анализа процесса накопления метанообразующих микроорганизмов на носителях биофильтра разработана структурная модель технологии переработки навозных стоков в метантенке с биофильтром. Отсюда следует, что при накоплении метаногенной микрофлоры на носителях биофильтра, контролирующим параметром является скорость образования биогаза VСФ ( м3/сут) в единицу времени перерабатываемого сырья, который зависит от дозы загрузки метантенка D (%):
D б VCф 1002, LН GO
(10) где б, кг/м3 – плотность биогаза; L, % – степень разложения органического вещества;
Go, кг/м3 сут – состав органического вещества; Н , кг/м3 – плотность навозного стока.
Для оценки энергетической эффективности работы биогазовой установки (БГУ) с анаэробным биофильтром (АБ) проведен анализ тепловых потоков при переработке навозных стоков, который представлен в виде схемы (рисунок 4):
QНАВ QТП
QОС QШЛ
QОС
QБГ
БГУ с АБ (QАБ)
Рисунок 4 – Схема тепловых потоков биогазовой установки (БГУ) с анаэробным биофильтром (АБ)
Входную часть теплового баланса БГУ составляет количество энергии, заключенной в исходном навозном стоке QНАВ, энергия технологического процесса
метанообразования QТП и энергия активной биомассы, накопленной в анаэробном биофильтре (энергосодержание) QАБ, а выходная часть суммируется потерями энергии в окружающую среду через ограждающие поверхности метантенка QОС, энергиями образующегося биогаза QБГ и сброженного шлама QШЛ в следующем виде:
QНАВ+QТП + QАБ=QОС+ QБГ +QШЛ, (11) Одной из основных характеристик, определяющей товарность получаемого биогаза является энергосодержание 3 биофильтра QАБ (МДж/м3), зависящая от количества активной биомассы Хбм (кг/м ), закрепленных на поверхностях носителей биофильтра и её удельной теплоемкости Сбм(МДж/(кг•К), температур технологического процесса
сбраживания ТТ.П. и окружающей среды ТОС..(К).
Энергосодержание анаэробного биофильтра определяем следующим образом:
QАБ ХбмСбм(TТПТОС)
(12)
Эффективность получения биогаза возможна лишь в том случае, когда суммарная энергия полученного биогаза значительно будет превышать расходы на его производство, т.е. должно выполняться условие получения товарной энергии QVТ (МДж/м3), которое в общем виде может быть представлен как:
QVТQТП.QАБ 0, (13) 33
где QТП(МДж/м )– расход энергии на технологический процесс; QАБ (МДж/м )– энергия, содержащаяся в биофильтре;  (МДж/м3)- теплотворная способность биогаза.
По результатам аналитического расчета и расчетной схемы теплового баланса метантенка с биофильтром получена энергетическая модель биогазовой установки для переработки навозных стоков:
. QНАВ GН СН (ТИН ТОС) 
Q VH CH H (TТП TИН) ТП.  
Q
QАБ XбмСбм(ТТП ТОС) ,
ОС
kFМ ИЗ(ТТП ТОС) из ц 
QБГ VбCб(ТТПТОС) 
QШЛ GШЛ СШЛ (ТТП ТОС) (14)
где GH (кг/сут) – суточная масса навозного стока, подлежащая нагреву; СН (МДж./кг·К) – удельная теплоемкость навозных стоков; ТТП (К) – температура технологического процесса, ТИН (К) – исходная температура нагрева навозного стока и ТОС (К) – потери температуры в окружающую среду; VH (м3/сут) – суточный объем навозного стока подлежащей нагреву;  (%) – КПД установки для контактного нагрева; Хбм (кг/м3) – масса активной биомассы, закреплённой на носителях биофильтра; FМ (м2) – площадь теплообмена метантенка; из (м) – толщина теплоизоляции метантенка; из, (Вт/м2·К) – коэффициент теплопроводности теплоизоляции; k (Вт/м2·К) – коэффициент теплопередачи; Vб (м3/м3 сут) – суточный объём образования биогаза; Cб (МДж/(м3·К) – теплоемкость биогаза; GШЛ (кг/сут) – масса выгруженного шлама; СШЛ (МДж/кг·К) – удельная теплоёмкость шлама.
Математическая модель процесса накопления активной биомассы в анаэробном биофильтре (У4) позволяет интенсифицировать процесс переработки навозных стоков, а по энергетической модели биогазовой установки определяем энергосодержание анаэробного биофильтра и эффективность производства биогаза на свинофермах.
В третьей главе приведены программа, методика и планирование экспериментальных исследований. Целью экспериментальных исследований является
подтверждение и уточнение разработанных теоретических предпосылок на интенсификацию процесс анаэробной переработки навозных стоков в метантенке при накоплении метанобразующих микроорганизмов на носителях биофильтра.
Исследования проводили по следующей программе: 1 – исследования на лабораторной экспериментальной установке; 2 – исследования на опытно- экспериментальной биогазовой установке (БГУ) с биофильтром в метантенке; 3 – разработка рекомендации для крупнотоннажной переработки навозных стоков в биогазовой установке с анаэробным биофильтром (АБ).
На первом этапе, для обоснования наиболее эффективного конструктивного элемента шарообразного биофильтра, исследовали процесс накопления метанобразующих микроорганизмов на поверхностях твердых носителей. Для этого была создана нами лабораторная установка в институте микробиологии РАН в лаборатории академика Г.А. Заварзина (рисунок 5 ).
а) б)
Рисунок 5 – Общий вид (а) и технологическая схема лабораторной установки (б):
1 – метантенк; 2 – ультратермостат; 3 – газометр; 4 – перистальтический насос; 5 – анаэробный биофильтр; 6 – термометр; 7 – нагревательный элемент (НЭ); 8 – ёмкость для слива отработанного субстрата; 9 – газовый счётчик: 10 – горелка; 11- пробоотборник; 12 – сборный сосуд; 13 – хроматограф; 14 – потенциометр.
Метантенк – это цилиндрическая вертикального расположения стеклянная емкость со стальным нержавеющим плоским верхом и дном. Биофильтр представляет собой стеклянную рамку, выполненную в форме параллелепипеда и предназначенную для закрепления на ней исследуемых носителей: стеклоткань, ткань (пенька армированная полиэтиленом), сетка металлическая, флизелин, капроновая леска, капроновый шнур, сетка полихлорвиниловая. Размеры носителей (ширина, высота) 8 22 см.
Загрузку метантенка продуктом переработки проводили до покрытия биофильтра. Состав сбраживаемой биомассы: на 7,0 литров(л) водопроводной воды вносили минеральные компоненты среды Пфеннига из расчёта на 10,0 л общего объема, микроэлементы Пфеннига, 2 л стерилизованного свиного навоза, 1,0 л бактериальной закваски, 50 г ацетата натрия и 18,0г бикарбоната натрия. Начальное значение рН соответствовало 7,0, а общая влажность составляла 95%.
Образование биогаза при постановке опытов контролировалось в газосборнике (с литражными делениями на боковой стороне стеклянной ёмкости), а содержание метана в биогазе определяли хроматографом ЛХМ-80.
В опытах были использованы термофильные метанообразующие микроорганизмы родов Methanotrix и Methanosarcina, а в качестве основного субстрата – ацетат натрия. Исследования проводили в термофильном режиме сбраживания (54oС). Перемешивание сбраживаемого субстрата осуществляли перистальтическим насосом по типу «Upflow» при скоростях циркуляции от 2 до 5 рабочего объемов в сутки. Согласно планированию эксперимента первоначальная доза загрузки составляла 1,0% (0,1 кг/л ацетата натрия), далее к концу исследования доза была увеличена до 7,0% (0,7 кг/л) от общего объема перерабатываемого сырья. Периодичность загрузки соответственно от 1 до 10 сут.
В соответствии с поставленой целью исследования при планировании эксперимента количественная сторона технологического процесса переработки навозных стоков
9

характеризовалась скоростью образования биогаза – У1(Vсф,м3/м3 сут), которая позволила оценить интенсивность переработки сырья, а качественная сторона процесса переработки навозных стоков – содержанием метана в биогазе – У2(C,%) и степенью разложения органического вещества У3 (L,%). При планировании эксперимента исследования проводили на двух уровнях варьирования: максимальный (+1) и минимальный (-1). С целью полного исследования приняли полный факторный эксперимент (22) с проведением 10 опытов. При выборе варьируемых факторов первоначально были проведены поисковые эксперименты. По их результатам и ранжированию факторов в опытах было решено варьировать тремя факторами: периодичностью загрузки метантенка – Х1(Т,сут), дозой загрузки – Х2 (Д, %) и содержанием органического сухого вещества в перерабатываемом навозе – Х3 (Gc,кг/м3). Обработку экспериментальных данных проводили по методу множественной регрессии в программе STATISTIKA-8.
На основании результатов лабораторных исследований была разработана и создана экспериментальная биогазовая установка (БГУ) с биофильтром (АБ). Программа производственной проверки БГУ (рисунок 6) предусматривала перечень следующих видов оценок: техническая экспертиза установки; условия проведения проверки и показатели качества работы установки; энергетическая оценка технологического процесса переработки навозных стоков. А для достижения поставленной цели решались следующие вопросы: изучение эффективности работы биофильтра с накопленными сообществами метанообразующих микроорганизмов при переработке навозных стоков свиноводства, исследование энергетического баланса биогазовой установки с биофильтром и определение образования товарной энергии.
а) б) в)
г) д) е)
Рисунок 6 – Общий вид метантенка и биофильтра: метантенк (а) и технологическая схема (б) с сечением А-А (в), биофильтр вид спереди (г) и сбоку (д) и 1/4 часть (е): 1 – корпус метантенка; 2 – теплоизоляция; 3 – биофильтр; 4 – лопасть; 5 – жесткий каркас; 6 – сетка капроновая; 7 – вал; 8 – рабочая емкость (полимерная); 9 – штуцер; 10 – компрессор;11 – вентиль для слива; 12 – труба для отбора биогаза; 13 – труба для подачи исходной массы; 14 – труба для выгрузки сброженного субстрата; 15 – зубья.
Метантенк 1 представляет цилиндрическую ёмкость с рабочим объемом 1,0 м3, имеет конусное дно и верх. Данная форма обеспечивала накопление активного ила на дне ёмкости. В рабочей камере метантенка установлен анаэробный биофильтр 3, а в дно корпуса установлен штуцер 9 для принудительной подачи биогаза в рабочую емкость 8 лопастей и вентиль 11 для слива осадка с активным илом и для отбора части ила в системе
10

рециркуляции. Биофильтр 3 представляет собой форму шара жесткой конструкции, структурным элементом которого являются лопасти 4, которые представляют собой жёсткий полукруглый каркас 5, натянутый капроновой сеткой 6 с ячейкой 50 х 50 мм и диаметром шнура 5,0 мм. Биофильтр вращается вокруг своей оси на валу 7 с помощью выталкивающей силы образующегося биогаза, который скапливается в полимерной емкости 8. Принудительная подача биогаза в метантенк осуществляется компрессором 10, а разрушение образующейся корки на поверхности сбраживаемого навоза производится зубьями 15.
Перед запуском БГУ в работу камера сбраживания метантенка продувалась углекислым газом для создания анаэробных условий. При проведении производственной проверки доза загрузки метантенка составляла 5,2 % от объема сбраживаемого сырья с периодичностью загрузки 7,0 сут, влажность – 95%. Образующийся биогаз собирался в мокром газосборнике объемом 1,0м3.
На третьем этапе была проведена математическая обработка результатов экспериментальных исследований с применением ЭВМ и типовых программ, разработаны рекомендации для больших объёмов переработки навозных стоков в биогазовой установке с анаэробным биофильтром.
В четвертой главе изложены результаты лабораторных исследований процесса накопления метанообразующих микроорганизмов на носителях, результаты производственной проверки экспериментальной биогазовой установки с анаэробным биофильтром, рекомендации для больших объёмов переработки навозных стоков с применением биофильтра и технологическая схема системы интенсивной технологии анаэробной переработки свиноводческих навозных стоков в биогаз и удобрение.
В результате проведения лабораторных опытов анаэробного сбраживания навозных стоков свиней было установлено (таблица), что процентное содержание метана в биогазе варьировало и было связано как с фазой развития метаногенной микрофлоры, так и с дозой загрузки метантенка.
Таблица – Результаты лабораторных опытов
Показатели
Периодичностьзагрузки (х1) Доза загрузки (x2) Органическое сухое вещество (х 3) Скоростьгазообразования (у1)
Выход биогаза (опытное) Выход биогаза (расчетное) Метаносодержание(у2) Степень разложения (у3)
Ед. изм.
Т,сут Д, % Gc,кг
Номер опыта
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2 2 4 1,0 1,0 2,5 0,203 0,213 0,234
4 6 6 2,5 4,0 4,0 0,240 0,238 0,240
8 8 5,0 5,0 0,250 0,310
10 10 7,5 7,5 0,320 0,370
Vсф,л/сут 0,029 0,68 3,47 3,99 4,01 4,15 4,81 4,90 5,22 5,94
Vб, л Vб л С, % L, %
0,23 3,82 12,90 0,31 2,86 11,30 15,1 29,75 30,12
10,29 12,27 16,91
14,31 22,76 19,71 21,12 42,48 50,34 25,98 26,01
24,56 29,11 44,15 23,71 27,65 42,80 63,43 68,70 64,44 35,93 45,8 40,89
61,20 78,91 58,93 74,85 55,10 45,10 28,74 22,10
Начальная концентрация ацетата натрия в метантенке составляла 0,1 кг/л (1,0%). Метаногенное сообщество адаптировалось к созданным условиям с незначительной продукцией биогаза. Процентное содержание метана СН4 в биогазе постепенно росло. Далее концентрация ацетата была увеличена до 0,25 кг/л (2,5%) и после фазы задержки, которая составляла двое суток, начался процесс активного метанообразования (рисунок 7). При дозе загрузки метантенка от 0,25 до 0,4кг/л (4,0%) содержание метана в биогазе составляла от 42,5 до 63,4 %, при менее 0,2 кг/л (2,0%) – не более 30%, а повышение дозы загрузки до 0,5 кг/л (5,0% концентрация ацетата) процесс метанообразования также активизировался и составил 64-68,7%, а общее образование биогаза при периодичности загрузки реактора 7,0 сут составил 44,2 л. Степень разложения органического сырья 41%.
Рисунок 7- Графики образования биогаза (2 – экспериментальное, 3 – теоретическое) и метаносодержания в биогазе (1) в зависимости от времени технологического процесса сбраживания органического сырья.
Из рисунка 7 следует, что при увеличении дозы загрузки метантенка до 0,75 кг/л (7,5%) результаты показали, что суточное образование биогаза проходило без изменений, однако, качество его значительно снизилось, т.е. содержание метана СН4 в биогазе к концу экспериментальных опытов соответствовало не более 45,1%.
Экспериментальные исследования показали, что процесс колонизации макроносителей микроорганизмами происходит сравнительно медленно. Накопление микроорганизмов обеспечивает накопление массы метаногенов и увеличивает выход биогаза с рабочего объема метантенка. В начале лабораторных опытов микроорганизмы на исследуемых материалах не детектировался. После 3 месячной переработки метанообразующие микроорганизмы покрыли все испытуемые носители биофильтра,и была проведена электронная сканирующая микроскопия с целью установления доминирующих бактериальных форм в сообществе (рисунок 8).
а) б)
Рисунок 8 – Диаграмма общего количества активной биомассы (мкг), удерживаемой на поверхностях носителей биофильтра [1 – стекловолокно армированное (ткань); 2 – ткань (пенька армированная полиэтиленом); 3 – сетка металлическая; 4 – флизелин; 5 – леска капроновая; 6 – шнур капроновый; 7 – полихлорвиниловая сетка]в зависимости: а) площади 1 см2 и б) массы1 г/материала.
Если рассматривать диаграмму, характеризующую количество метанообразующих микроорганизмов на единицу массы испытуемого материала, то наиболее благоприятным для накопления микроорганизмов являются флизелин и комбинированная ткань, а на стеклоткани, капроновом шнуре и полихлорвиниловой сетке содержание белка составляла в 4,5 раза меньше. В данном случае мы видим преимущества полимерных материалов, которые на единицу массы материала способны поддерживать значительно больше бактериальных клеток, чем на металлической поверхности. Однако, для создания конструктивных элементов анаэробного ферментатора стекловолокно армированное, ткань (пенька армированная полиэтиленом), леска, флизелин и полихлорвиниловая сеткапо своим физико-структурным характеристикам в агрессивной навозной среде являются непригодными, в сравнении с капроновыми носителями: капроновый шнур (ГОСТ 25574-83).
12

По результатам опытов разработаны математические модели процесса накопления метанообразующих микроорганизмов на носителях биофильтра в зависимости от: Х1 – периодичности загрузки сырья в метантенк, Х2 – дозы загрузки и Х3 – органического сухого вещества (ОСВ) в сбраживаемом субстрате:
Образование биогаза с единицы сбраживаемого субстрата
У1 = 4,5+0,8х1 +0,9х2+1,2х3 +0,7×12- 0,9×22-0,7×32+ 0,5х1 х2 + 0,1х1 х3+ 0,3х2 х3; (15)
Метаносодержания в биогазе
У2 = 66,5+ 1,9х1 + 1,9х2+ 1,9х3 -17,4×12 -17,1×22 -17,1×32- 0,01х1 х2 – 0,01х1х3 +0,01х2 х3;(16)
Степени разложения органического вещества
У3 = 43,7+ 3,4х1+4,7х2+ 3,2х3 -10,2×12 -12,1×22 -10,9×32+2,5х1 х2+0,7х1 х3+2,2х2 х3; (17) Аналитические уравнения (15, 16 и 17) представлены тремя членами. Минимальная абсолютная величина регрессии Х1 (периодичность загрузки) и Х3 (органическое сухое вещество, в зависимости от влажности исходного сырья) cвидетельствуют об их минимальном влиянии на процесс метаногенерации. Значительный вклад в предсказании образования биогаза принадлежит фактору Х2 – дозе загрузки субстрата в метантенк. Во всех моделях коэффициенты регрессий по абсолютной величине оказались меньше значения свободного члена Во. Это указывает на влияние неучтенных варьируемых факторов. По результатам априорной регрессии, в наших исследованиях факторы периодичность загрузки навоза в метантенк (Т) и содержание органического сухого вещества перерабатываемого сырья (Gо) были приняты 7,0 сут. и 0,25кг/л. Это повлияло на незначимость коэффициентов, т.е. математические модели позволили выявить значимый фактор и исследовать его влияние и взаимодействие на поведение процесса переработки навоза. Отсюда следует, что в качестве значимого фактора (рисунок 9) при оптимизации выходных значений скорости образования биогаза Vсф(У1,л/л*сут), метаносодержания в биогазе С(У2,%) и степени разложения органического сухого вещества сбраживаемого субстрата L (У3,%) принята доза загрузки метантенка D=5,2%
(Х2).
образования биогаза Vсф(У1,л/л сут) в зависимости от периодичности загрузки навоза в метантенк Т (Х1,сут) и дозы загрузки D (Х2,%),(б) метаносодержания в биогазе С (У2,%) – от дозы загрузки метантенка D(Х2,%) и содержания органического сухого вещества в перерабатываемом навозе Gо (Х3) и (в) степени разложения органическогосухого вещества перерабатываемого навоза L (У3,%) в зависимости от Х2 и Х3.
Из диаграммы следует, что оптимальными выходными значениями при накоплении метанообразующих микроорганизмов в метантенке, при проведении лабораторных исследований, являются: скорость образования биогаза Vсф=4,5л/л*сут, метаносодержание в биогазе С = 66,5% и степень разложения органического вещества переработанного навоза L = 44,3%.
Развитие метанообразующих микроорганизмов в метантенке контролировалась скоростью образования биогаза. После формирования и закрепления ассоциаций метаногенных сообществ на носителях анаэробного биофильтра процесс переработки
а) б) в)
Рисунок 9 – Поверхности отклика, характеризующие выходные значения (а) скорости
навозных стоков происходил в интенсивном режиме в течение 16 сут. Производственная проверка БГУ позволила определить эффективность применения метантенка с биофильтром на интенсивность переработки навозных стоков в сравнении в метантенке без биофильтра, т.е. скорость образования биогаза Vсф в метантенке с анаэробным биофильтром на 34 % выше.
Для оценки эффективности переработки навозных стоков в метантенке с анаэробным биофильтром, при проведении производственной проверки были определены их основные энергетические характеристики. Энергия полученного биогаза QБ (МДж/м3) характеризует энергетическую количественную сторону процесса сбраживания навозных стоков и зависит от энергосодержания биофильтра QАБ(МДж/м3) в технологическом процессе накопления активной биомассы на носителях и метанообразования в биогазе. Энергия полученного товарного биогаза – QТ (МДж/м3) характеризует качественную сторону технологического процесса переработки навозных стоков в метантенке с биофильтром.
Результаты производственной проверки биогазовой установки БГУ позволили установить эффективность применения биофильтра с накопленными метанообразующими микроорганизмами в метантенке при переработке навозных стоков, т.е. с увеличением активной биомассы метанообразующих микроорганизмов Хбм (рисунок 10) повышается энергосодержание анаэробного биофильтра QБ в 2,5 раза и увеличивается образование энергии товарного биогаза QТ в 2,0 раза.
а) б)
Рисунок 10 – Энергетические характеристики биогазовой установки с анаэробным биофильтром
(а) при накоплении активной биомассы на носителях Хбм = 0,033 кг/м3 и (б) при Хбм = 0,21кг/м3: QБ – Общая энергия полученного биогаза; Qт– энергия товарного биогаза; QАБ – энергосодержание активной биомассы, накопленной в анаэробном биофильтре.
По полученным результатам производственной проверки БГУ были оптимизированы конструктивные параметры анаэробного биофильтра, характеризующие накопления активной биомассы Хбм(У1) в зависимости от площади поверхности носителя (капроновый шнур) FбХ2) и количества лопастей nл(Х3), диаметра dб (Х1) и количества лопастей nл (Х3) анаэробного биофильтра, которые показаны на рисунке 11 а и б.
а) б)
Рисунок 11 – Поверхности отклика, характеризующие накопление активной биомассы Хбм – У1(кг)
на носителях анаэробного биофильтра, (а) в зависимости от площади поверхности носителя (капроновый шнур) Fб (Х2) и количества лопастей nл (Х3),(б) скорости образования биогазаVсф –
У2 (м3/м3 сут), в зависимости от диаметра dб (Х1) и количества лопастей nл (Х3) анаэробного биофильтра при сбраживании навозных стоков свиней в биогазовой установке.
При априорном ранжировании поверхности отклика при производственной проверке биогазовой установки, характеризующего оптимальное значение накопления активной биомассы на носителях Хбмopt=0,18 кг/м3, соответствуют оптимальные значения диаметра биофильтра dб =1,0м, количество лопастей, соответственно, nл= 8 шт и площадь поверхности носителя (капроновый шнур) Fб= 36,0 м2. Однако, следует отметить, что с увеличением диаметра и, соответственно, площади поверхности носителей биофильтра уменьшается степень разложения органического вещества перерабатываемого навоза от 46,0 до 22,0%.
В пятой главе даны технологическая схема анаэробной переработки навозных стоков свинофермы, методические рекомендации для анаэробной переработки навозных стоков в интенсивном режиме и приведены результаты технико-экономической эффективности от внедрения интенсивной технологии анаэробной переработки навозных стоков с применением биофильтра в СПК «Тамча» Селенгинского района Республики Бурятия.
В результате анализа энергетических характеристик биогазовой установки разработана технологическая схема интенсивной переработки навозных стоков. Особенностью технологической схемы является интенсивная технология переработки навозных стоков с разделением их на фракции жидкой и твердой после анаэробной переработки. Технология (рисунок 12) включает в себя ряд последовательных операций (метантенк-предсбраживатель и метантенк с биофильтром) и ее можно охарактеризовать как интенсивную, природоохранную и ресурсосберегающую. Представленная технология позволяет получить энергию в виде биогаза и ценное органическое удобрение.
Рисунок 12-Технологическая схема системы усовершенствованной технологии переработки навозных стоков свиноферм биогазовой установке БГУ-2 с модульным расположением метантенков: 1 – свиноферма; 2 – навозосборник; 3 – метантенк – предсбраживатель; 4 – метантенк с биофильтром; 5 – отстойник; 6 – разделитель навозных стоков на фракции; 7 – пруд (навозонакопитель); 8 – мокрый газосборник; 9 – газгольдер биогаза; 10, 11 – фекальные насосы; 12 – котел на биогазе; 13 – компрессор.
На основании проведенных экспериментальных исследований переработки навозных стоков в биогазовой установке с применением анаэробного биофильтра предлагаются следующие рекомендации производству:
1. При разработке и создании анаэробных биофильтров в качестве конструктивных элементов наиболее пригодным является капроновый шнур.
2. При применении анаэробных фильтров следует строго учитывать негативный эффект избыточного накопления метанообразующих микроорганизмов в метантенке, которая может изменить характеристику массообмена, т.е. этот эффект должен быть сведен к минимуму.
3. Следует строго контролировать температурный режим, потому что при значительном повышении температуры происходит гибель метанообразующих микроорганизмов.
4. Проникновение следов кислорода в метантенк приводит к увеличению окислительно-восстановительного потенциала среды, окислительным процессам, прекращению метанообразования и созданию отрицательных давлений в рабочей камере метантенка.
5. Наиболее оптимальная доза загрузки метантенка исходным сырем, при накоплении метанообразующих микроорганизмов на носителях лопастей анаэробного биофильтра, должна соответствовать 5,2% от общего объема перерабатываемого навоза.
Расчеты экономической эффективности от внедрения интенсивной технологии переработки навозных стоков в метантенке с биофильтром на свиноферме СПК «Тамча» Селенгинского района Республики Бурятия с содержанием животных 110 голов составили 723,3тыс.руб/год, а срок окупаемости капитальных вложений 1,6 года. В основу расчета экономической эффективности положен принцип сравнения новой технологии и альтернативных вариантов переработки навозных стоков.
Перспективы дальнейшей разработки темыпредусматривает изучение накопления метанообразующих микроорганизмов в анэробных биофильтрах при модульном 4-х ступенчатом расположении метантенков в биогазовой установке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Анализ состояния вопроса совершенствования процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства показал, что существующие установки не обеспечивают переработку навозных стоков в более короткие сроки с наименьшими затратами. В связи с этим, одним из перспективных направлений решения данной проблемы является разработка интенсивной технологии переработки навозных стоков свиноферм в биогазовой установке с применением биофильтра.
2. Разработанная математическая модель процесса переработки навозных стоков свиноферм в метантенке с биофильтром позволяет установить увеличение скорости образования биогаза в зависимости от содержания органического вещества Gо(кг/м3сут) в перерабатываемом навозе, периодичности Т(сут) и дозы загрузки D(%) метантенка. По полученной математической модели процесса накопления метанообразующих микроорганизмов в биофильтре разработана структурная модель совершенствования технологии переработки навозных стоков свиноферм в метантенке, учитывающая энергобиологические (ЭБС), технические (ТС) и энерготехнологические средства (ЭТС).
3. Методика расчёта процесса накопления метанообразующих микроорганизмов позволяет определить интенсивность накопления метанообразующих микроорганизмов на носителях биофильтра при оптимальной дозе загрузки D=5,2% от объема перерабатываемого сырья и периодичности загрузки метантенка Т=7,0 сут. В качестве конструктивного элемента-носителя метанообразующих микроорганизмов анаэробного биофильтра при проведении лабораторных исследований был установлен капроновый шнур диаметром dш=5,0мм (ГОСТ 25574-83) и получены его структурные характеристики накопления метанообразующих микроорганизмов в зависимости от поверхности 193 мкг белка/см2 и массы носителя 4500 мкг белка/г.
4. В результате реализации многофакторного лабораторного эксперимента получены регрессионные модели оптимизации скорости образования биогаза Vсф= 4,5 л/л сут метаносодержание в биогазе С=66,5% и степень разложения органического вещества L = 44,3%. При априорном ранжировании поверхности отклика, при производственной
проверке биогазовой установки, оптимальное значение накопления активной биомассы в биофильтре соответствует Хбмopt=0,18 кг/м3, оптимальные конструктивные элементы шарообразного биофильтра: диаметр dб=1,0м, количество лопастей nл=8,0 шт и площадь поверхности носителей Fб=36,4 м2. Установлено, что с увеличением площади носителей биофильтра уменьшается степень разложения (L) органического вещества перерабатываемого навоза от 46,% до 22,0 %, т.е. это связано с уменьшением пропускной способности биофильтра перерабатываемого сырья, а скорость образования биогаза в метантенке с анаэробным биофильтром Vсф на 34 % выше, чем в метантенке без биофильтра.
5. Разработанная технологическая схема переработки навозных стоков свиноферм с применением в метантенке биофильтра позволяет существенно уменьшить затраты энергетических ресурсов, т.е. с увеличением метанообразующих микроорганизмов на носителях лопастей повышается энергосодержание биофильтра QБ в 2,5 раза и увеличивается товарная энергия биогаза QТ в 2,0 раза. Годовой экономический эффект от внедрения анаэробной переработки навозных стоков в биогазовой установке (БГУ) в СПК «Тамча» Селенгинского района Республики Бурятия составил 723,3 тыс. руб/год, а срок окупаемости капитальных вложений 1,6 года.