автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Интенсификация переработки активного ила сточных вод животноводческих комплексов методом анаэробного сбраживания

РГ6 од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК , . шли <ппо

I "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВЙЭСХ)

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПЕРЕРАБОТКИ АКТИВНОГО ИЛА СТОЧНЫХ ВОД ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ МЕТОДОМ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНМ

Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ГУДИЕВ Заур Асахметович

Москва - 1993

Официальные оппоненты:

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ЕИЭСХ).

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший

научный сотрудник

A.А.Ковалев.

Научный консультант - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Р. А. Мельник.

член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук Н.Г.Ковалев,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

B.М.Шрамков.

- Государственный проектный и научно-исследовательский институт по проектированию животноводческих предприятий по производству молока, говядины и свинины (ГИПРОНИСЕЛЬХОЗ).

Защита состоится " & " С1ЮА.Х 1993 г. в /о2л. ч. на заседании специализированного совета К 020.15.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства по адресу: 109456 Москва, 1-й Бешняковский проезд, дом 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЕИЭСХа.

Автореферат разослан 1593 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Ведущая организация

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, _

старший научный сотрудник Н.Ф.Молоснов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

--------Актуальность темы. В сельскохозяйственном производстве для---------------------

повышения эффективности использования земельных угодий необходимо широкое вовлечение в производство органических отходов при обеспечении условий их экологически безопасной утилизации в рамках безотходных технологий промышленного типа.

йлесте с тем расширение производства животноводческой продукции на промышленной основе, сопровождающееся вводом в эксплуатацию все большего числа крупных комплексов и ферм, вызывает серьезные проблемы, связанные как с удалением, так и с переработкой огромных масс жидких стоков.

Б настоящее время на свиноводческих комплексах по выращиванию и откорму 54 и 108 тыс. голов в год (типовые проекты 802-142 и 802-143) широко применяется технология комбинированной обработки жидких стоков, предложенная итальянской фирмой дки-Э-Дки. Технология предусматривает разделение исходных стоков на твердую и жидкую фазы. Твердая фаза используется в качестве органического удобрения , а жидкая фаза обрабатывается в аэротенках и используется для удобрительно-оросительного полива кормовых культур.

К недостаткам технологии следует отнести большой объем избыточного активного ила, составляющего 10% от общего объема обрабатываемых стоков.

Так на свинокомплексе по выращиванию и откорму 24 тыс. голов

о

в год ежедневно образуется до 100 м избыточного активного ила, который собирается и хранится в течение длительного времени на иловых площадках (до I года), а его немедленная утилизация невозможна из-за содержания в нем большого количества патогенных микроорганизмов. Характеристики активного ила приведены в таблице.

Зольность •;<.. ВН

Влажность

99 Азот общий, г/л 19,2 ВПК, г/л 6,3 Коли-титр, шт/мл

2,1 54,5 1хЮ-5

Дщ хранения активного ила в течение длительного периода времени требуются большие объемы очистных сооружений.

для переработки избыточного активного ила возможно применение следующих методов: осаждение, фильтрование, флотация и термическая сушка. В условиях острого дефицита энергетических ресурсов широкое применение перечисленных методов, за исключением гравитационного осаздения, в силу их высокой энергоемкости не получило распространения. Б свою очередь в силу низкой способности активного ила к влагоотдаче его уплотнение методом гравитационного осаждения неэффективно.

Одним из путей решения этой проблемы является анаэробная переработка активного ила, которая позволяет предотвратить загрязнение почвы, воздушного и водного бассейнов, интенсифицировать процесс утилизации, а также получить продукты переработки в виде стабилизированного ила с улучшенными седиментационными свойствами.

Однако до настоящего времени этим вопросам уделялось мало внимания, в связи с чем данный вопрос мало изучен, недостаточно обоснованы или совсем отсутствуют результаты исследований в этом направлении, нет рекомендаций по выбору способа анаэробной переработки избыточного активного ила и устройства для его реализации. Не определены основные технологические параметры и их влияние на процесс переработки.

Поэтому вопрос разработки эффективных технологических линий по анаэробной переработке избыточного активного ила, получаемого

после аэрации жидких животноводческих стоков, является актуальным.

Данная работа выполнена в соответствии с тематическим гагансм ВИЭСХ, раздел 8.2 "Разработать рекомендации по реконструкции очистных сооружений крупных животноводческих комплексов".

Цель настоящей работы - разработка технологии и технического устройства для анаэробной переработки активного ила и определение его эффективности.

Объект исследования. Исследования проводились на лабораторных и опытных образцах установок с рабочим объемом метантенка от 0,5 до 3,5 м^ на активном иле сточных вод свиноводческих комплексов.

Методика исследований. Теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе общих положений проведения научно-исследовательских работ с использованием стандартных методик и методических указаний. Результаты исследований обработаны с помощью методов математической статистики с применением вычислительной техники.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснована целесообразность применения технологии анаэробной переработки активного ила с одновременным разделением на иловую воду и уплотненную фазу.

Получены зависимости для определения степени распада органического вещества активного ила и выходные параметры (массы и влажности) его сброженной уплотненной фазы при изменении дозы суточной загрузки и соотношения параметров установки для анаэробной переработки активного ила.

Разработана методика инженерного расчета установки для анаэробной переработки активного ила и рекомендации по определению режимов ее эксплуатации.

л 6. !

Практическая ценность. На основании результатов исследований был предложен способ и техническое устройство для анаэробной переработки активного ила в непрерывном режиме с разделением на фазы.

Разработанная методика инженерного расчета позволяет рассчитать осн'овные технологические и режимные параметры установки для анаэробной переработки активного ила.

Реализация результатов исследований. По результатам исследований разработаны предложения по переработке активного ила на очистных сооружениях экспериментального хозяйства "Клёново-Чего-даево" Подольского района Московской области.

Полученные материалы были переданы в НПО "КТИСМ" г.Запорожье для производства установок по сбраживанию активного ила объемом

о

20 м , изготовлен опытный образец.

Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на координационном совещании "Экологические проблемы утилизации животноводческих стоков на фермах и комплексах". Москва. общество "Знание" 20.02.1993 г.; на научно-производственной конференции во ВЙШВСГЭ по Итогам выполнения НИР за 1951-1592 гг. по Российской НТП фундаментальных и прикладных исследований "Интегрированная защита животных", Москва, 6.04.1993 г.

Публикация результатов исследований, основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах, в т.ч. в 4-х изобретениях по переработке активного ила.

Структура и объем работы, диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (134 наименования) и приложений. Изложена на 197 страницах машинописного текста, включает 59 рисунков и графиков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, дана краткая характеристика работы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса переработки жидких стоков и задачи исследований" дай краткий анализ методов очистки животноводческих стоков с учетом их осйбенностей и состава, охарактеризованы существующие методы утилизации активного ила, используе-мыё в мировой практике, предложена технология и техническое устройство для анаэробной переработки активного ила, а также изложены цель и задачи исследований.

В последние сода наиболее перспективным методом переработки жидких животноводческих, стоков считается анаэробное сбраживание, при котором происходит биохимическое разложение органического вещества без доступа воздуха с образованием биогаза.

Значительный вклад в развитие исследований процесса анаэробного сбраживания сельскохозяйственных отходов внесли ученые: Г.Д.Ананиашвили, Л.И.Гюнте^, Г.А.Заварзин, Н.Г.Ковалев, Л.Г.Прищеп, Е.С.Панцхава, Т.Я.Авдрюхин, П.И.Гриднев, А.П.Гринберг, С.Д.Дурдыбаев, А.А.Ковалев, М.В.Левчикова, В.П.Лосяков, Р.А.Мельник, Г.П.Марсагишвили, А.Н.Ножевникова, В.П.Павличенко, О.П. Смирнов, В.М.Шрамков и др. , а также зарубежные ученые: В.Баадер, М.Е.Беккер, Е.Доне, В.С.Дубровский, Р.Лёр, Н.Латтинга, В.д.Мас-лич, Г.Е.Мовсесов, С.Зелтер, А.Хасимото, Л.М.Ягудин и др.

Анализ работ вышеуказанных авторов показывает, что большинство из них посвящены вопросам переработки жидких животноводческих стоков с содержанием сухого вещества 8-4^.

До настоящего времени вопросам анаэробного сбраживания избы-

точного активного ила, получаемого при аэробной переработке жидких животноводческих стоков уделялось мало вникания.

Выполненный наш анализ показал, что наиболее эффективным методом анаэробной переработки активного ила является жидкофазная ферментация в непрерывном режиме с одновременным разделением на фазу илввой воды и уплотненную фазу, для осуществления которой была разработана установка, принципиальная схема которой показана на рис.1.

Рис.1. Установка для сбраживания активного ила

1-корпус, 2-перегородка, 3-нижняя ' камера, 4-камера вытеснения, 5-верхняя камера, 6-насадка, 7-напорный патрубок, В-патрубок для загрузки, 9-решетка, 10 и П-гаэопроводы, 12-выгрузное окно, 13-выгрузной патрубок, 14-клапан, 15-выгрузной патрубок,16-клапан.

Установка работает следующим образом. В нижней камере в процессе ферментации происходит расслоение перерабатываемого

активного ила на верхний всплывающий слой, осадок, активную зону брожения и иловую воду. После подачи дозы суточной загрузки исход- ного активного ила в'нижнюю камеру клапан на ее газоотводе запирается, а так как нижний край напорного патрубка располагается в зоне скопления фазы иловой воды, то под давлением выделяющегося биогаза иловая вода поступает в камеру вытеснения, а после ее запол нения в верхнюю камеру, из которой сброженный ил удаляется через выгрузной патрубок. Затем открытием клапана выгрузного патрубка нижней камеры удаляется уплотненная фаза. Суммарный объем удаляемого ила равен объему дозы суточной загрузки. После удаления сброженного ила открывается клапан газоотвода нижней камеры, давление в камерах выравнивается, в результате чего происходит перемешивание ила в нижней камере. После этого рабочий цикл повторяется заново.

При такой технологии не.требуется дополнительный расход энергии на перемешивание, а в результате задержки уплотненной фазы внутри установки происходит увеличение концентрации микроорганизмов, что способствует увеличению степени распада органического вещества активного ила.

Исходя из результатов анализа и в соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Выполнить теоретические исследования по определению конструк тивных и режимных параметров устанолки для анаэробной переработки активного ила.

2. Экспериментально определить степень распада органического вещества в зависимости от продолжительности сбраживания, а также определить влияние анаэробной переработки на степень обезвоживания активного ила.

ю.

3. На основе выполненных исследований разработать методику инженерного расчета установки для анаэробной переработки активного ила.

Разработать опытный образец установки, провести ее производственную проверку и определить экономическую эффективность.

Во второй главе "Теоретические исследования по обоснование режимных параметров процесса анаэробной переработки активного ила" в соответствии с поставленной задачей была установлена взаимозависимость между геометрическими параметрами установки и степенью перемешивания активного ила, а также дозой его суточной загрузки.

Для определения степени перемешивания принято известное уравнение

у--(1-е~Я£)-т; «>

для которого расчетным путем получены коэффициенты пролорциональнос-ти f{, и 5 • зависящие от конструктивных параметров установки.

V1-У}

MLJ! И

с я '

где у^ - объем нижней камеры (камера рис.1).

Vj - объем камеры вытеснения (камера^ рисД). Д - бесконечно малая положительная величина.

коэффициент соотношения камер VjJ — К-f* W Из уравнения (I) видно, что степень перемешивания зависит от коэффициента соотношения камер f(f

)

при К/ = I; У та *

пРи_ К,= 0; ----------------------------------

Продолжительность сбраживания одной дозы суточной загрузки Ьо определялась из условия:

<{00 -п.

со

где

- рабочий цикл нижней камеры (сут.) Ьв ~ рабочий цикл верхней камеры (сут.) с1 - доза суточной загрузки установки {%)

доза суточной загрузки нижней камеры установки(%;

- доля объема нижней камеры, установки (%)

-г объем верхней камеры установки (камера рис.1) ({р- коэффициент, зависящий от соотношения объемов верхней и нижней камер установки.

Коэффициент Ц2 для значения р} = 75$, И = 50$ и И = 25$ определен расчетным путем и соответственно равен 0,07; 0,09 и 0,1.

На рис.2 приведены расчетные графические зависимости дозы суточной загрузки от продолжительности переработки согласно формулы (4)

Юс

го 60 1/0 го

\

Ч--2П

М 15 го и 30 65 м

Рис.2. Зависимость цикла сбраживания в нижней камере от дозы суточной загрузки

Из анализа этих зависимостей видно, что при дозах загрузки, не превышающих 5% и значениях ^ менее 15% продолжительность переработки в нижней камере резко снижается, что может повлечь за собой снижение степени распада органического вещества активного ила С £ Для определения численного значения этого показателя использовали показатель удельного выхода биогаза с единицы объема перерабатываемого активного ила.

П)сов 9

где плотность биогааа кг/м3

масса сухого органического вещества в дозе суточной загрузки, кг. \- суточный выход биогаза, Нм3.

- продолжительность переработки.

Коэффициенты СС и С определяются экспериментально при цикличном режиме переработки до прекращения газовыделения.

В третьей главе "Экспериментальные исследования процесса переработки активного ила" представлены программа и методика исследования, приведены результаты исследований на лабораторных установках.

В задачу исследований входило определение граничных условий его эффективной ферментации и определение коэффициентов.

Было установлено, что наиболее эффективно анаэробная переработка активного ила происходит в установке, для которой р) = 75% при дозе суточной загрузки установки от 3 до 1%, степень распада органического вещества при этом составляла 25—3356 (рис.3).

Степень распада сухого органического вещества активного ила и его влажность _увеличиваются-с увеличением продолжительности переработки.

оГ/г

УС

Чс

ЬС 20 1С

■ т

О

Рис.3. Изменение влажности и степени распада СОВ от продолжительности сбраживания

Результаты исследований по выходу биогааа в зависимости от продолжительности переработки представлены на рис.4.

V

м3 рг I П3гмт

йЗ

0,2

о,(

; \ 1

V* _ оХ

^ * с *

/

/

1С 15 1С ¿5 ус 55" 45

1

саг

Рис.4. Зависимость выхода биогаза от продолжительности сбраживания в цикличном режиме

По результатам их математической обработки определены коэффициенты (X и £ составляющие формулы (6), величины которых соот-

ветственно составили Л = 55,68; С = 1024.

По результатам опытов по определении влияния анаэробной переработки активного ила на степень его обезвоживания получены данные, которые показывают эффективность переработки и отстаивания активного ила по сравнении с обезвоживанием его на иловых площадках.

П им 10 20 30 40 50

* (35) 1.6 2.9 Ч 5.7 8,6

Ь пер (.сут; 0,35 0,8 М 1.8 2.1

где - уровень жидкости

£ исх - время обезвоживания исходного активного ила Ь пеР - время обезвоживания переработанного активного ила.

Установлено, что процесс обезвоживания переработанного активного ида идет устойчиво и его скорость пропорциональна времени обезвоживания,

У переработанного активного ила скорость обезвоживания в 3,1 раза выше, чем при обезвоживании« исходного активного ила на иловых площадках.

В четвертой главе "Применение результатов исследований" на основании выполненных исследований разработана методика инженерного расчета установки для анаэробной переработки активного ила.

В качестве исходного показателя принимается суточная доза загрузки установки, равная общему суточному количеству избыточного активного ила, получаемого на очистных сооружениях животноводческого комплекса.

Далее по эмпирической формуле (6) определяется \/± (суточный выход биогаза) и по формуле (Ч) для И = 75$ определяется потреб-

ныв объемы верхней и нижней камер установки. Теплотехнические параметры установки определяются по общепринятым методикам.

С целью проверки полученных.результатов по анаэробной переработке активного ила в хозяйственных условиях нами была разработана и изготовлена опытная установка для анаэробной переработки активного ила.

Установка испытывалась.в экспериментальном хозяйстве "Кленово-

Чегодаево" Подольского района Московской области. Испытания проводились в летне-осенний период 1992г. За период испытаний было переработано 15,7 т активного ила, при этом получено 68,5 м3 био-гаэа и 14,8 г переработанной уплотненной фазы, которая после подсушивания на иловых площадках использовалась в качестве органического удобрения. Средняя стеиень распада сухого органического вещества, определенного расчетным путем по выходу биогаза, составила около 30$.

Изменение агрохимических показателей активного ила приведено в таблице.

Показатели Исходный Пе£в£аботанный_активннй ил_

активный ил уплотненная фаза иловая вода

Зольность, % 19,0 25,6 -

6,3 7,2 6,9

Углерод общий, % 2.4 1,8 0,95

Азот общий, г/л 2Д 1,82 0,09

Фосфор общий, г/л 1,7 1,2 0,06

ХПК, г/л 145 96 25

БПК5/ г/л 4,2 0,97 0,25

Наличие гельминтов, шт/мл 8 - -

Микробное число, млн. ■кл/мл 1хЮ4 ЗхЮ* -

Полученные данные свидетельствуют о хороших результатах по переработке избыточного активного ила и могут быть использованы при разработке полномасштабной установки для свинокомплекса на 24 тыс.голов "Кленово-Чвгодаево". Эт£> позволит значительно уменьшить объемы иловых площадок и улучшить экологическую обстановку на территории фермы.

Ожидаемый расчетный эффект от внедрения установки для переработки активного ила составит I,26 млн.руб.

Основной составляющей эффекта является уменьшение потребных площадей для строительства очистных сооружений и использование уплотненной фазы в качестве-удобрений.

Основные выводы и предложения

1. Применение анаэробного метода переработки избыточного активного ила позволит ускорить его обезвоживание в три и более раза по сравнению с обезвоживанием на иловых площадках, при этом может быть достЛнута полная гибель гельминтов и болезнетворных микроорганизмов, снижен порог запаха, а также получено стабилизированное

«

удобрение.

2. Наиболее эффективным методом анаэробной переработки избыточного активного ила является метод с разделением на фазу иловой воды и уплотненную фазу. Однако этот метод изучен еще недостаточно, так как установки еще не разработаны и нет рекомендаций по определению их параметров, не определена их экономическая эффективность.

3. В результате теоретических исследований предложена зависимость геометрических параметров установки от степени перемешивания активного ила в дозы суточной загрузки.

В.результате дсспериментальных исследований получены данные по определвнжю степени распада органического вещества активного ила по потенциальному выходу биогаза при его переработке.

------Эмпирическая зависимости этого параметра аппроксимирована

полиномом третьей степени, коэффициенты которого рассчитаны на ЭВМ.

5. Степень распада сухого органического вещества с единицы объема перерабатываемого активного ила при дозах суточной загрузки 5-20$ составила 30,2-12,5$. Расхождение расчетных значений распада органического вещества по предложенной формуле с экспериментальными данными не превышает \h%,

6. Обезвоживание переработанного активного ила идет устойчиво и его скорость пропорциональна времени обезвоживания. У переработанного активного ила скорость обезвоживания в 3,1 раза выше, чем при обезвоживании исходного активного ила на иловых площадках.

7. Разработан и испытан в экспериментальном хозяйстве "Клено-во-Чегодаево" Подольского района Московской области опытный образец установки, которая обеспечивает переработку избыточного активного ила в режиме разделения на фазы, при этом степень распада сухого органического вещества составила около 30$.

6, Расчетный годовой экономический эффект для свинокомплекса на 24 тыс.голов составил 1,126 млн.рублей. Главной составляющей экономического эффекта является сокращение требуемых земельных площадей для строительства очистных сооружений на б га.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

I. A.c. СССР » 1673539 кл. С 02 Г 11/04 "Аппарат для анаэробной переработки органических отходов" / Гудиев 3.А.,Ковалев

A.А.,Мельник Р.А.,Козаев Г.С.,Сужаев Л.П..Левчикова М.В.,Лосяков

B.П..Марсагишвили Г.П.// Бюллетень изобретений № 3^,1991.

2. А.с.СССР * £¿99961 кл С 02 Г 3/28; II/04 "Установка для анаэробной обработки биомассы'.' /Гудиев З.А..Ковалев A.A.,Мельник Р.А.,Козаев Г.С.,Сужаев Л.П..Левчикова М.В.Досяков В.П..Марса-гившили Г.П.// Бюллетень изобретений Я 47,1991.

3. А.с.СССР » 1699962 кл. С 02 Г 3/28; 11/04 "Реактор для анаэробной переработки биомассы." / Гудиев 3.А.,Ковалев А.А.,Мельник Р.А.,Козаев Г.С.,Су*аев Л.П..Левчикова М.В. Досяков В.П. .Марса-гиивили Г.П.// Бюллетень изобретений № 47,1991.

4. А.с.СССР * 1745705 кл.С 02 Г 11/04 "Способ очистки животноводческих стоков и устройство для его осуцествления."/ Левчикова М.В..Мельник Р.А.Досяков В.П.,Гудиев З.А.// Бюллетень изобретений № 25.1992.

5. Гудиев З.А..Ковалев A.A..Гриднев П.И. "Установка для анаэробного сбраживания активного ила очистных сооружений свиноводческих комплексов."/ Сб.научных трудов ВНИИМЖ. Подольск,1993,

т.2. с.63-74.

6. Гуриев З.А..Ковалев A.A.,Гриднев П.И. "Выбор режимов перемешивания активного ила при его анаэробной переработке в метан-тенке"./ Сб.научных трудов ВНИИМЖ. Подольск.1993,т.2. с.74-80.

7. Ковалев A.A. .Марсагиавили Г.Б.,Гудиев З.А. "Анаэробная переработка твердых отходов в биогаэ и органические удобрения". /НТБ ВИЗСХ. выпуск I (66), 1990', с'.77-85.