автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности очистки газов при переработке навоза крупного рогатого скота с разработкой биофильтра

На тавах рукописи

КРИВОЛАПОВ Иван Павлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ НАВОЗА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА С РАЗРАБОТКОЙ БИОФИЛЬТРА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С

20 ¡2

005017533

Мичуринск-наукоград РФ, 2012

005017533

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО МичГАУ) на кафедре «Прикладная механика и конструирование машин»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Миронов Владимир Витальевич

Официальные оппоненты: Капустин Василий Петрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» / кафедра «Автомобильная и аграрная техника», профессор

Макаров Валентин Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, ГНУ Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства Россельхозакадемии, директор

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится «25» мая 2012 года в 10— часов на заседании Диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корп.1, ауд. 206 «Зал заседаний диссертационных советов».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ.

Объявление о защите и текст автореферата размещены на сайтах ФГБОУ ВПО МичГАУ www.mgau.ru и Министерства образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан «24» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Н.В. Михеев

ОЫЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Согласно данным экологической комиссии Европейского Союза, свыше 80% аммиака, загрязняющего атмосферный воздух, и 10% метана, разрушающего озоновый слой, поступают от навоза и помеча, в результате их несвоевременной заделке в почву и хранении в открытых накопителях. Экологи Европы полагают, что основной причиной образования азотосодержащих кислотных дождей является неудовлетворительная работа с навозом и пометом.

В системе переработки навоза особое значение имеет технология высокотемпературной аэробной биоферментации, протекающая при контакте соломона-возной смеси с кислородом воздуха и позволяющая получить высококачественное органическое удобрение с высокими агрохимическими свойствами. Данный процесс сопровождается микробиологическим разложением содержащихся в смеси компонентов, при этом образуется значительное количество более простых соединений, часть из которых выделяется в газообразном виде. Особую опасность при этом представляют аммиак и сероводород.

Существующие в настоящее время технологии очистки газов практически не применяются в сельском хозяйстве ввиду их высокой стоимости, сложности конструкции и требований к высококвалифицированному обслуживанию.

Для сельского хозяйства наиболее приемлемым способом очистки г азов является биологическая фильтрация, как наиболее дешевый, простой и эффективный метод. Техническим средством реализации данного метода является биологический фильтр.

Существующие в настоящее время биофильтры, характеризуются высокой зависимостью от температуры окружающей среды и влажности поступающих газов, и как правило используются для очистки от газообразных органических соединений. Вследствие этого, в период наиболее шггенсивного протекания биотермических процессов в компостируемой смеси биофильтр не обеспечивает достаточную очистку отходящих газов и снижение концентрации аммиака и сероводорода до предельно допустимых значений. Поэтому совершенствование конструктивно-режимных параметров биологического фильтра для очистки газов, выделяющихся при переработке навоза, является актуальной задачей и соответствует паспорту специальности области исследования - разработка инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве.

Работа выполнена в соответствии с:

программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований но научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг.: шифр 09.01.04 Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для производства конкурентоспособной продукции животноводства (включая пастбищное) и птицеводства, производства комбикормов в хозяйствах, уборки, переработки навоза и подготовки высококачественных органических удобрений (головной институт ГНУ ВНИИМЖ);

государственным контрактом № 831 Зр/] 3102 от 01.07.2010 г. с Фон-лом содсйстния развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере па нынолиспис ПИОКР по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.П.И.ІС.) па тему «Разработка биологического фильтра для очистки воздуха в животноводстве», срок выполнения до 1.07.2012 г.

Цель исследований. Снижение содержания вредных веществ, выделяющихся при ускоренном компостировании соломонавозной смеси.

Объект исследований. Технологический процесс биологической фильтрации газов, выделяемых в процессе ускоренного компостирования соломонавозной смеси в камерных установках.

Предмет исследований. Установление закономерностей взаимодействия газов с фильтрующим материалом.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использовали элементы газодинамики, гидравлики, массопередачи, кинетики процесса сорбции и биотехнологии. 1Ї экспериментальных исследованиях нашли применение методики планирования экспериментов, ГОСТы на определение физических свойств, а также частные методики исследования процесса биологической фильтрации.

Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики. В исследованиях применяли серийные приборы для определения температуры, влажности, скорости движения и концентрации газов.

Научную новизну составляют:

математическое оі іисание процесса биологической очистки газов; теоретически обоснованные конструктивно-режимные параметры биофильтра;

закономерности изменения физических свойств фильтрующего материала от его состава и влажности;

зависимости изменения эффективности очистки т азов от температуры, сост ава и влажности фильтрующего материала.

Практический значимость работы заключается в разработке и обосновании оптимальных конструктивно-режимных параметров биологического фильтра для очистки газов, выделяющихся при ускоренном компостировании соломонавозной смеси, позволяющего обеспечить экологическую безопасность производства органических удобрений.

Реализации результатов исследований.

Результаты исследований процесса биологической фильтрации газов и конструкция биологического фильтра приняты к внедрению в ФГУІІ учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского района Тамбовской области, в научно-производственном предприя тии ООО «Вектор», а также используются в учебном процессе кафедры «Механизация производства и безопасности технологических процессов» ФГ1ЮУ В1Ю МичГАУ и кафедры «Автомобильная и аграрная техника» ФГЬОУ В1Ю ТГТУ.

Апробации работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий в АПК» (г. Мичуринск, ФГЬОУ В1Ю МичГАУ, 2009 г.), научно-практической конфереп-

ции ««Инженерное обеспечение инновационных технологий в ЛИК», (г. Мичуринск, ФГКОУ В1Ю МичГЛУ, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких растений» (г. Мичуринск, ФГ1ЮУ B1IO МичГЛУ, 2010. г.), Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве • инновационные технологии и модернизация и отрасли» (г. Подольск, ГНУ ВНИИМЖ, 2011 г.), Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ (г. Саратов, ФГБОУ B1IO СГЛУ им. Н.И. Вавилова, 2011 г.), научно-технической конференции «Научные аспекты переработки органических отходов животноводства и растениеводства» (г. Ростов-на-Дону, 2012 г.).

Публикации результатов работы. Материалы диссертации отражены в 11 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публикаций составляет 4,17 пл., из которых 1,12 п.л. принадлежат лично соискателю. Техническая новизна работы подтверждена наличием 1 патента РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 170 машинописных страниц, 50 рисунков, 19 таблиц, 129 литературных источников и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена краткая характеристика состояния вопроса, обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследований, научная значимость и практическая ценность проведенных исследований, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Обоснование перспективной технологии очистки газов при переработке отходов животноводства» представлены результаты анализа биохимических процессов и состава газов при компостировании отходов животноводства, а также приведены современные технологии и технические средства очистки газов.

Обзор технологий очистки газов проведен на основании анализа работ Страуса В., Другова Ю.С., Никольского А.Е., Белова О.П., Швыдкого B.C., Беспалова В.И., Касаткина А.Г.

Вопросами процесса биологической фильтрации занимались Винаров А.Ю., Быков В.А., Смирнов В.II., Соколов В.П., Яковлев C.B., Садыров O.A., Савельев Н.И., Воронов Ю.В., Миронов В.Н., Джанни А., Николаи Р., Курасава С.

Проведенный анализ показал, что наиболее перспективной технологией очистки газов, выделяемых в процессе ускоренного компостирования, является метод биолог ической очистки посредством биофильтра.

Эффективность работы биофильтра зависит от газодинамических параметров фильтрующего материала, состава и количества поступающих газов и разлагающей способности микроорганизмов.

По результатам проведенного анализа в соответствии с поставленной пелыо были сформулированы задачи исследований:

экспериментально установить закономерности выделения газон ог времени и интенсивности протекания микробиологических процессов при ускоренном компостировании соломонавозной смеси;

пронести теоретические исследования взаимодействия газов с фильтрующим материалом;

исследовать физические свойства фильтрующих материалов; установить оптимальный состав и свойства фильтрующего материала для очистки газов, выделяющихся при ускоренном компостировании;

определить оптимальные режимы работы и конструктивные параметры биофильтра для очистки газов;

осуществить производственную проверку биофильтра и определить экономическую эффективность его использования.

Но »горой главе «Теоретические исследования процесса биологической фильтрации газов» представлены теоретические исследования процесса взаимодействия газов с порис той структурой фильтрующего материала.

Фильтрующий материал может быть представлен моделью вязкопластиче-ского тела, состоящего из твердого скелета в виде пространственной волокнистой системы, полужидкого и газообразного вещества, заполняющего пространство между твердыми элементами.

Газообразные вещества, в процессе движения через свободные промежутки в фильтре, диффундируют из них к поверхности фильтрующего материала, покрытого жидкостной биопленкой, сорбируются на поверхности раздела фаз и разлагаются микроорганизмами бионленки.

Биологическая фильтрация газов включает процессы массопереноеа, сорбции и биологического разложения и в общем виде может быть выражено уравнением

Чшх^Чвх - (Чадс+Чабс+Ябиа), (1)

1'Де «/„„„ общее количество вещества, оставшееся после прохождения через материал биофильтра, моль; - • количество вещества поступающего в биофильтр, моль; да0а , цЙ,ю количество вещества, поглощаемое в процессе адсорбции, абсорбции и микробиологического разложения соответственно, моль.

Скорость движения газов при массоперепосе можно определить отношением его объемного расхода к площади поверхности

V —

Уф,а - ^ , (2)

где ()„,-, ■■• объемный расход газов, м3/с; 5 - площадь поверхности фильтрующего материала, м2.

Объемный расход газов определяли в соответствии с законом Дарси, с учетом удельных потерь давления, по формуле

, (3)

где К коэффициент проницаемости, характеризующий только пористый материал, м"; g ускорение свободного падения, м/с3; Р потери давления на участке

/г,„ IIa; v- кинематический коэффициент вязкости газов, м~/с; у- плотность газов, кг/м3; А„ высота фильтрующего материала, м.

Объединяя и решая уравнения (2) и (3) получаем формулу для расчета скорости газа в биофильтре

V,

Vyh» ■ (4)

Потери давления включают в себя потери давления на входе в материал, Рю, возникающие вследствие изменения газового потока при его проникновении в поры, потери давления внутри материала Рт, возникающие из-за потери за счет трения молекул газа о поры и потери давления на выходе из материала Р„ш, вследствие внезапного расширения струй потока на выходе из пор.

Потери давления в фильтрующем материале описываются выражениями

P,a-Po„=CcAr*vx2 / 2)„, (5)

рт - = С„, (/.V ' 2).„, (6)

р., - = / 2)„ + / 2\ых, (7)

где Свх^Свн^вых - коэффициенты гидравлического сопротивления соответственно на входе, внутри и на выходе из материала, зависящие от характеристик и структуры пористого тела и режима течения газа в порах; у, — средняя скорость газа на участке dx норового пространства, м/с; ух- ■ средняя плотность газа, кг/м3.

Гидравлические коэффициенты входных и выходных потерь давления определяются выражениями

С % Т°г/ + (8)

фил п.ср * Г*

9

Се«< = - А2(Ю у С + ), (9)

где р — динамическая вязкость газа, На/с; dncp — средний размер пор, м, который выражается, как математическое ожидание размера пор, по формуле

= (Ю)

я и

Проницаемость пористой среды зависит от потерь давления газового потока, физических свойств пористого материала и скорости фильтрации.

Коэффициент проницаемости определяется из выражения (3)

(И)

В расчетах учитывается, что использование закона Дарси возможно только при ламинарном потоке движения газа, характеристикой при этом может служи ть число Рейнольдса (/fe), которое не должно превышать некоторого критического значения ReKp>Re.

Для определения критического значение числа Рейнольдса, может быть использована формула, предложенная В.Н. Щелкачевым

Ке..

ю у1.4к

кр

где Ч/ж,

критическая скорость по тока, м/с; т - пористость. Определяя экспериментально, пористость фильтрующего материала и значения потерь давления, а также рассчитав коэффициент проницаемости, критическая скорость движения газа в порах определяется согласно выражению

(13)

V? =•

фил

10 у[к

После установления минимального времени фильтрации и критической скорости газового потока в порах, определяем минимальную высоту фильтрующего материала для обеспечения минимально заданного уровня эффективности, по формуле

(14)

Следующим этапом работы биофильтра является процесс сорбции газа, который включает в себя процесс адсорбции пористым фильтрующим материалом и абсорбции жидкостной пленкой на поверхности твердых частиц.

Механизм процесса адсорбции газов, пористым фильтрующим материалом, представляется следующим образом. Газы, с начальной концентрацией с поглощаемого вещества, поступают в фильтрующий материал высотой й"*. рисунок 1 а, по мере движения через материал, газы частично поглощаются и их концентрация снижается рисунок 1 б.

: '1

4-4-

•1 т

С,

тгих/жы- ж»' | | |

а) б)

Рисунок 1 - Зависимость концентрации от высоты фильтрующего материала

в процессе адсорбции Количество вещества, поглощаемого в процессе адсорбции, определяется из выражения

,_ ■ цгадс аос

- гфш, (15)

где аудельная площадь поверхности диффузии, м-1; .1 плотность диффузионного потока, моль/м'с; -- объем фильтрующего материала, используемого

как адсорбента, м ; '</„„ время контакта газа с порами фильтрующего материала, с.

Удельная площадь поверхности диффузии акоторая зависит от пористости филь трующего материала и размера его частиц, определяется по формуле

3(1 -т)

■ °6)

где (р отношение эквивалентной площади поверхности сферы к ее фактической площади; Н - эквивалентный радиус сферы, м.

Плотность диффузионного потока в формуле (15) представляет собой значение количества вещества, переносимого путем диффузии в единицу времени через единицу площади поверхности в направлении максимального градиента дс

концентрации ^ ~.

Данная величина определяется в соответствии с законом Фика

J = -D-дc

д}1адс > (17)

где £> - коэффициент диффузии, м2/с.

Знак «-» в выражении (17) показывает, что перенос происходит в направлении уменьшения градиента концентрации.

В виду того, что в пористой структуре газы движутся в свободных полостях — поровых каналах, расстояние, которое преодолевают молекулы газа, больше высоты фильтрующего материала, тогда выражение (17) запишется в виде

8с

З - її И/с QftC.dc

(18)

где ¿>/7 - коэффициент диффузии газов в порах фильтрующего материала, м2/с; /с - площадь поперечного сечения диффузионного потока на единице сечения

ггадс

материала; - истинная длина поровых каналов, м, определяемая соотношением = , где к — коэффициент извилистости пор.

Площадь поперечного сечения диффузионного потока прямопропорцио-налыю зависит от пористости и обратно пропорциональна коэффициенту извили-

К,с _ т

стости пор Л - т ~ТиГдс ~ ~Г, тогда выражение (18) запишется в виде

"л, к

* дИ'Г . (19)

Коэффициент диффузии газов в порах Оц, определяется согласно выражению

А/ =—■(!• ехр(~2™/3£>0)) (20)

где г ■ ■ средний радиус пор, м; и ■ ■ средняя скорость молекулы, м/с; О,, ■ коэффициент диффузии газа при давлении Р0 0,1 МПа, темпераі-уре Г,,-273 К. При изменении температуры и давления, коэффициент диффузии газа определяется по формуле

О 1\ " ( -)'75 1 р /;.

Таким образом, подставляя выражения (16), (19), (20), в выражение (15) получаем

1.

3(\_т) 1Ьр

II \l.75 т

Р ['}

1- ехр

^РХ

\\

дс

к т.

*а)с

(22)

Следующим этапом сорбционного процесса является абсорбция, при которой количество поглощаемого вещества, определяется аналогично выражению (15)

п — л Т г/"бс абс

ЧаЪ-и-'аосГс:, Тфил , (23)

где а удельная поверхность абсорбционного слоя, м"'; ,1а,-,с • плотность диффузионного потока при абсорбции, моль/м2-с; У°ж . объем абсорбционного слоя,

3 абс

м ; фи.ч - время фильтрации при абсорбции, с.

Плотность диффузионного потока при абсорбции определяется с использованием закона Фика, аналогично выражению (18)

дс

Л

-»/<'• г

дкТ

(24)

где Оа ■•• коэффициент диффузии при абсорбции м2/с; /<' -- площадь поверхности абсорбции к единицы сечения абсорбционного слоя; - высота абсорбционного слоя, м.

Дня определения коэффициента диффузии газа в жидкости при нормальных условиях используется формулу Арнольда

м„

1

м„

'А з (25)

где /л вязкость жидкости, мПа-с; А и В поправочные коэффициенты для диффундирующего газа и жидкости (для газов Л-1, воды » 4,7); и V« - мольные объемы вещества Л н 13 п жидком состоянии при нормальной температуре кипения, см /моль; Мл и Мц ■ мольные массы веществ А и В, г/моль.

С увеличением температуры коэффициент диффузии в жидкости увеличивается и рассчитывается из выражения

¡)-,п{и 293)

з 1 Р К (26)

где/? • плотность жидкости, Кг/м .

Таким образом, подставляя выражения (24) и (25) в формулу (23) количество вещества, поглощаемого в процессе абсорбции, определяется выражением

Ч,. <Н- Д М > <)Лу?1/' (Г- 293)

Р

дс

/■'--—V-) К г

^¡^¡м- ' СЛ

абс ^.иои

фи,

Следующим этапом работы биологического фильтра является микробиологическое разложение, при котором количество поглощенного вещества, зависит от скорости реакции в биоплепке и скорости абсорбционного процесса.

В процессе биологической фильтрации происходи! рост числа микроорганизмов биоплепки, описываемый кривой роста, рисунок 2.

Увеличение количества микро-

газов

1 - индукционный период; 2 - фаза экспоненциального роста; 3 - фаза линейного роста; 5 - стационарная фаза; 6 фаза отмирания Рисунок 2 ■■ Кинетическая кривая роста микроорганизмов в процессе фильтрации

ио дифференциальному уравнению

организмов при потреблении определяется по формуле

Х = (28)

где Х- концентрация микроорганизмов в биопленке, кг/м3; ц удельная скорость роста числа микроорганизмов, с"1; Х0 - начальная концентрация микроорганизмов, кг/м3, г„, - время роста, с.

При достижении концентрации газов в биопленке критического значения, скорость разложения регулируется только скоростью химических реакций ферментативного распада. В таком случае, скорость снижения количества газа в биопленке от времени фильтрации определяется соглас-

ие

и1фм

кК^сХ

(29)

где

с1с

Іїг,

- изменение количества поглощенного биопленкой вещества от време-

ни, моль/м3-с; к - константа скорости реакции, с"'; Еп - количество фермента на единицу биомассы, моль/кг; с - концентрация газа в биопленке, моль/м3; К,„ -константа сродства (полунасыщения), равная концентрации газа, при которой удельная скорость роста микроорганизмов составляет половину от максимальной, моль/м3.

Подставляя выражение (28) в формулу (29), учитывая объем биопленки и время нахождения в ней газа, количество вещества, поглощенного в процессе микробиологического разложения, при условии ограничения только скоростью ферментативного распада Урасп>уабс определяется по выражению

Чбио

г /а'" У

(30)

где

объем биоплепки. м .

В случае если концентрация газов в биоплепке ограничена скоростью диффузии в порах, количество поглощенного вещества находится по формуле

шах Ч оно

-с (1 - г6""к \2 V"""

где с а концентрация газов поступающих в биопленку, моль/м3; к, - кинетический коэффициент реакции разложения, определяемый по формуле

1

*/ =

КРа 2пС0д

(32)

где К ■ константа скорости реакции, моль/м3-с; п - коэффициент распределения; д толщина биопленки, м.

Следовательно, выражение количества вещества, поглощенного в процессе микробиологического разложения (31) примет вид

/ IV

{ К1\

ТГ„,а

а"""1 = С Чйио °0

1-

2 пСй5

уф,,., г 6,ю

э=

1-

100%

(34)

(33)

Таким образом, полученные зависимости (22), (27), (30), (33) позволяют определить общее количество вещества, поглощенного в процессе фильтрации, а их подстановка в выражение (1), обеспечивает определение количества вещества после фильтрации, при известном значении количества поступающего вещества.

Критерием оптимизации работы биофильтра может служить эффективность очистки 1'азов, определяемая выражением

Г .3.4 -(д^+ЧаСк+ЧбиУ

В общем виде эффективность очистки Э, как критерия оптимизации параметров биофильтра, представляет собой функцию множества переменных

Э = /(с,т, V,Тфш,И,. (35)

Математическая модель процесса биологической фильтрации газов представляет собой систему уравнений (1; 13; 14; 22; 27; 30; 33), решая которую в среде МаЙгСАО выявлены основные факторы, влияющие на критерий оптимизации: высота фильтрующего материала А, пористость фильтрующего материала т, объем материала V, время фильтрации тфт. На пористость значительное влияние оказывает влажность IV и состав фильтрующего материала.

11 третьей главе «Программа и методики проведения экспериментальных исследований» изложены программа и методика исследований: концентрации газов при компостировании соломонавозной смеси; температуры, влажности газов; физических свойств пористых фильтрующих материалов; процесса биологической фильтрации газов.

В качестве фильтрующих материалов использовались смеси компоста из па-воза КРС и древесной стружки сосны в различных массовых соотношениях, в качестве исследуемых материалов также использовали, смесь навоза и пшеничной соломы, газы при биоферментации соломонавозной смеси.

Зависимость концентрации 1'азов от интенсивности процесса компостирования, в установке камерного типа, определяли с помощью индикаторных трубок по установленным методикам.

Для проведения многофакторного эксперимента по изучению процесса биологической фильтрации была изготовлена экспериментальная лабораторная установка, представленная на рисунке 3.

J

Й11Й1 ; й

5" й4-7 х-

а)

1 термоизолированная емкость; 2 соломонавозная смесь; 3 газоотводные трубки; 4 воздуховод; 5 — фильтрующий материал; 6 — биофильтр с нагревательными элементами; 7 блок управления; 8 вытяжной вентилятор; 9 ■ металлическая сетка

Рисунок 3 Схема (а) и общий вид (б) лабораторной установки для исследования процесса биологической фильтрации

Установка работает следующим образом, соломонавозная смесь 2 влажностью 65...70 %, объемом 1 м3 предварительно доводилась до температуры 35...40°С, путем естественного саморазогрева, и загружалась в термоизолированную емкость 1.

Газы, посредством применения вытяжного вентилятора 8 поступали в корпус биофильтра б, в котором равномерно распределялся по поверхности фильтрующего материала 5.

Управление работой установки осуществлялось при помощи блока управления 7, включающем в себя терморегулятор, магнитный пускатель и реле времени.

Эффективность очистки определялась исходя из анализа концентрации газов па входе и на выходе из биофильтра.

Оптимальные параметры работы биофильтра определяли для трех факторов, при которых изучение влияния исследуемых параметров осуществляли на трех уровнях, таблица 1, при этом получали независимые оценки коэффициентов регрессии.

Таблица 1 Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы и их обозначения

Х| - влажность фильтрующих) материала, %

Х? температура фильтрующего материала, °С

Хз массовая доля компоста, %

Уровни варьирования Интервал

нижний базовый верхний варьиро-

(-1) (0) (+1) вания

40 50 60 10

2.0 30 40 10

30 50 70 20

Повторпостъ опытом принята трехкратной, доверительная вероятность 0,95. Однородность дисперсий определяли по критерию Кохрена.

Адекватность полученных регрессионных моделей проверяли согласно /■критерию Фишера.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследований изменения концентрации аммиака и сероводорода, выделяющихся при компостировании соломонавозной смеси, температуры и влажности газов, физических свойств пористых фильтрующих материалов, а также результаты проведения многофакторного эксперимента. Результаты исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Результаты исследований концентрации выделяющихся газов и характеристик пористог о фильтрующего материала (смесь древесной стружки и компоста из навоза КРС иразломы)

Наименование показателя Концентрация аммиака, См/3 Концентрация сероводорода, Сшя

Температура газов, Г

Влажность газов, поступающих в биофильтр, УУ

Пористость фильтрующего материала, т Насыпная плотность фильтрующего материала, рн

Максимальная скорость потока газа, Уфш Минимальное время фильтрации газа, Хфт Минимальная высота фильтрующего материала^

Единица измерения мг/м3

мг/м3

°С %

кг/м м/с с м

Значение

12...115 4...22

22...42

85...95

0,40.. .0,77 120...550

0,054 14

0,75

1 Мк 50%

Р---11,92т+14. а'«0,970 Г"*-- А 0,1 м/с В1

♦ 0,01м/с И 0,05 м/с ■

і

Р =-6,844т+7,415 ;

--1,566т1-1,593 IIі = 0,944

0,3 0,35 0,4 0,45 С,5 0,55 0,6 0,65 0.7 0,75 т

Рисунок 4 Зависимость потерь давления от пористости фильтрующего материала

риала от 40 до 60% пористость снижается от 0,77 до 0,40.

Результаты экспериментальных исследований потерь давления и пористости фильтрующих материалов, представлены на рисунках 4 и 5.

В результате исследований потерь давления установлено, что при уменьшении пористости фильтрующего материала от 0,75 до 0,4 и увеличении скорости движения газового потока от 0,01 до 0,1 м/с потери давления возрастаю'!' от 0,3 до 10 Па.

Зависимость изменения пористости фильтрующего материала от его влажности и массовой доли компоста, показывает, что при увеличении влажности мате-

Резул ьтаты экс i iep им ен-тальпых исследований концентрации аммиака и сероводорода при компостировании соломо-навозной смеси, представлены на рисунке 6.

В ходе проведенного экспериментального исследования концентрации аммиака и сероводорода установлено, что их концентрация увеличивается с возрастанием температуры компостируемой смеси, так при достижении температуры в смеси 65°С концентрация аммиака в выделяющихся газах максимальна и составляет 115 мг/м3, сероводорода 22 мг/м1, при ПДК 20 и 10 мг/м3, соответственно.

С, мг/м3.........................Г".....

m

0,8 « -___ е

0,6

0,5

0,4 ♦ Мк.31» l№-0,00sw+0,974 К' =0,9S4

3,3 «ММ® m> ■ОДОЙ'«0,99« «' = 0,946

0,2 0,1 in- D.0UW+ £,05S R'»0,S81

0 ......................

30 40 50 60 %%

Рисунок 5 Динамика изменения пористости фильтрующего материала от влажности

Та 0,031т3 1,344т1 + 10,4.г>г + 40,18

5

8

10

11

Рисунок 6 Зависимость изменения концентрации аммиака и сероводорода от времени компостирования

Увеличение концентрации аммиака и сероводорода обусловлено биохимическим разложением белков навоза, при этом рост числа микроорганизмов способствует росту температуры смеси до максимальных значений. Также экспериментально установлено, что в процессе ускоренного компостирования

минимальное время, в течение газы необходимо подвергать очистке, составляет 11 суток.

Исследования по определению скорост и фильтрации показали, что для обеспечения ламинарного течения газа в фильтрующем материале, скорость его движения не должна превышать 0,054 м/с.

В ходе экспериментальных исследований установлено, что минимальное время фильтрации, при котором достигается снижение концентрации газов до предельно допустимых значений, составляет 14 с. Следовательно, высота фильтрующего материала не должна быть ниже 0,75 м.

По результатам проведенного многофакторного эксперимента были получены регрессионные модели эффективности очистки газов от аммиака и сероводорода, выделяемых в процессе ускоренного компостирования соломонавозной смеси, в раскодированном виде:

уравнение регрессии эффективности очистки от аммиака ^тз -0,0661¥2-0,038^-0,016М2+6,2451У+2,31+1,84М-143,375 (36)

уравнение регрессии эффективности очистки от сероводорода 091IV2-0,04912-0,019М+9,167№ +2,&+1,979М 227,312 (37)

Адекватность полученных регрессионных моделей по /'-критерию Фишера составила, для аммиака 2,79 для сероводорода 2,62, при РШ1&, -19,4. Следовательно, полученные регрессионные модели можно считать адекватными.

Исследования но определению максимальной эффективности показали, что для аммиака при влажности фильтрующего материала 47%, массовой доли компоста 58% и температуре в материале 30°С эффективность очистки максимальна и составляет 92%. Для сероводорода при влажности 50%, массовой доли компоста 52%, и температуре 28°С максимальная эффективность очистки составляет 95%. На основании полученных регрессионных моделей и значений факторов примем среднее значений массовой доли компоста 55%. Полученные трехмерные графические зависимости представлены на рисунке 7.

Эщи, % Энк- *••

ШФ

т

V/, %

а)

ш ш

шщ

'Л Щ!

\> у т

~ фи

=г "о

!,°С

V

б)

и с

Рисунок 7 11оверхность отклика эффективности очистки газов от аммиака (а) и сероводорода (б) фильтрующим материалом с массовой долей компоста 55%

17

Для получения области оптимальных значений построим совмещенный контурный график двух регрессионных моделей эффективности очистки, рисунок 8.

Из анализа совмещенных поверхностей видно, что если поддерживать в фильтрующем материале с массовой долей компоста 55% влажность 47...52% температуру 26...33°С эффективность очистки газов от аммиака и сероводорода соответственно составит 91 и 94%.

В I фоцессе работы биофильтра фильтрующий материал, накапливает элементы пи тания растений, содержание азота на 10... 15% выше, чем в компосте, что позволяет сделать вывод о том, что фильтрующий материал является готовым к использованию органическим удобрением.

В питой главе «Опытно-производственная проверка и экономическая эффективность результатов внедрения» представлены результаты опытно-производственной проверки и внедрения биофильтра в ФГУГТ учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского района Тамбовской области при переработке навоза в цехе биоферментации производительностью 400 т/год соломонавозной смеси и в научно-производственном предприятии ООО «Вектор», специализирующемся на разрабо тке и выпуске техники для производст ва удобрений.

Оценка экономической эффективности от внедрения биофильтра показала, что данный способ очистки газов характеризуется малым сроком окупаемости капитальных затрат 1,5 года и высоким коэффициентом эффективности капитальных вложений 67%.

vv, %

Рисунок 8 Совмещенные двухмерные сечения поверхностей отклика эффективности очистки газовых выбросов от аммиака ( ) и сероводорода (—), %

Общие выводы

1. При ускоренном компостировании соломонавозной смсси в камерных установках в результате биохимического разложения ее компонентов, приводящих к увеличению температуры в смеси до 60...65°С, образуется значительное количество газов, содержащих в своем составе сероводород и аммиак, концентрация которых изменяется от 15 до 22 и от 70 до 115 мг/м3 соответственно, что превышает предельно допустимые уровни от 2 до 5,5 раз.

').. Теоретически установлена взаимосвязь процессов массопереноса газов через пористый слой, адсорбции, абсорбции и микробиологического разложения газов в фильтрующем материале. 11ричем эффективность биологической очистки, как критерия оптимизации параметров биофильтра, в значительной степени зависит от плотности диффузионного патока, объема фильтрующего материала, его влажности, •температуры, времени фильтрации, концентрации входящих i-азов и удельной площади поверхности.

Получены теоретические зависимое™ максимальной скорости потока газов и высоты фильтрующего материала, как основных конструктивно-режимных параметров биофильтра, от физико-механических характеристик филирующего материала, как пористой среды.

3. По результатам экспериментальных исследований физико-механических свойств фильтрующих материалов с различной массовой долей компоста из навоза Kl'C и соломы, установлено, что при увеличении их влажности от 40 до 60% пористость снижается от 0,78 до 0,4, насыпная платность от 550 до 120 кг/м3, что ухудшает работу биофильтра.

Исследования но определению потерь давления, при движении газов в фильтрующем материале, показали, что с увеличением скорости потока от 0,01 до 0,1 м/с и снижении 1 гористости от 0,75 до 0,4 потери давления увеличиваются от 0,3 до 10 Па.

4. Установлено, что для очистки газов при переработке соломонавозной смеси оптимальный состав фильтрующего материала содержит 55% готового компоста из соломонавозной смеси и 45% древесных стружек, при этом влажность материала должна быть 47...52%, а температура 2б...ЗЗ°С.

5. Определены конструктивно-режимные параметры биологического фильтра для очистки газов, так на 1 м3 компостируемой смеси навоза КРС и соломы необходим биофильтр объемом 0,09 м3, площадью поперечного сечения 0,12 м , высотой фильтрующего материала 0,75 м, скоростью потока газов 0,054 м/с. Данные параметры обеспечивают эффективность очистки по аммиаку 87...91%, по сероводороду 90...94%.

6. Производственная проверка и внедрение биофильтра в цехе ускоренного компостирования соломонавозной смеси в камерных установках, производительностью 400 т/год обеспечивает снижение концентрации аммиака и сероводорода в отходящих газах до уровня ПДК, при этом эффективность капитальных вложений составляет 67%, при сроке их окупаемости 1,5 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Криволапом, И.Н. Анализ биохимических процессов при компостировании | Текст] / И.11. Криволапой // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2010, 4.1. С.65-68.

2. Криволапо», И.11. Методика экспериментального исследования биологической фильтрации газовых выбросов [Текст] / И.П. Криволапое // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. Мичуринск: Изд-во МичГДУ, 2011, Ч.2.. С.45-49.

3. Криволапой, И.П. Исследования состава газовых выбросов при компостировании (Текст] / В.В. Миронов, И.П. Кринолапов // Вопросы современной науки

и практики: Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов: Изд-во ТГТУ 20)2 Т.1. -С.336-341.

Публикации в других изданиях и материалах конференций

4. Криволапое, И.П. Анализ газовых выбросов при переработке органического сырья в животноводстве [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапое// Сб. науч. тр. Всерос. науч. практ. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2009. - С 107110.

5. Криволапое, И.П. Анализ методов очистки газовых выбросов в животноводстве [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапов// Сб. науч. тр. Всерос. науч. практ. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2010. - С.92-95.

6. Криволапое, И.П. Разработка биологического фильтра для очистки воздуха в животноводстве [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапое // Сб. науч. тр. Междунар. науч.практ. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2010. -С.97-101.

7. Криволапое, И.П. Применение биологического фильтра для очистки воздуха [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапое /'/Интродукция нетрадиционных и редких растений: мат. IX Междунар. науч.-метод. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2010. - С.353-356.

8. Криволапое, И.П. Проблемы производства компостов и их применения в садоводстве [Текст] / В.В. Миронов, М.В. Криволапов, И.П. Криволапое // Современные системы производства, хранения и переработки высококачественных плодов и ягод: мат. науч.-практ. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2010. -С.193-195.

9. Криволапов, И.П. Теоретический анализ ключевых этапов процесса биологической фильтрации [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапов // Сб. науч. тр. Всерос. науч. практ. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2011. - С.80-83.

10. Криволапов, И.П. Теоретическое исследование процесса биологической фильтрации газовых выбросов в животноводстве [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапов // Сборник трудов ГНУ ВНИИМЖ, т.22, ч.З Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные технологии и модернизация в отрасли: мат. 13-й науч.-практ. конф., - Подольск: Изд-во ГНУ ВНИИМЖ, 2011.- С.205-211.

В описаниях к изобретениям 11. Пат. 96371 Российская Федерация, 1Ш" Ш, МПК51,С12М 1/00,. Биологический фильтр [Текст] / Миронов В.В., Криволапов И.П.: заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Мичуринский ГАУ; заявл. 31.03.2010; опубл.27.07.2010. - 2 с. ,

Отпечатано в издательско-полиграфическом центре

ФГБОУ ВПО МичГАУ Подписано в печать 20.04.12 г. Формат 60x84 '/ ц. Бумага офсетная № 1. Усл.печ.л. 1,1 Тираж 120 :жч. Ризограф Заказ № 16978

Издательско-полиграфический центр Мичуринского г осударственного аграрного университета 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная. 101, тел. +7 (47545)5-55-12 E-mail: vvdem'olmgau.ru

61 12-5/3130

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ НАВОЗА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА С РАЗРАБОТКОЙ БИОФИЛЬТРА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Не кописи

Криволапов Иван Павлович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., доцент Миронов В.В.

Мичуринск-наукоград РФ 2012

РЕФЕРАТ

Диссертация содержит 170 машинописных страниц, 50 рисунков, 19 таблиц, 129 литературных источников и 5 приложений.

Ключевые слова: биофильтр, фильтрующий материал, ускоренное компостирование, соломонавозная смесь, аммиак, сероводород, эффективность очистки.

Цель работы. Снижение содержания вредных веществ, выделяющихся при ускоренном компостировании соломонавозной смеси.

Объект исследований. Технологический процесс биологической фильтрации газов, выделяемых в процессе ускоренного компостирования соломонавозной смеси в камерных установках.

В ходе теоретического и экспериментального анализа определены зависимости изменения концентрации газов, выделяемых в процессе ускоренного компостирования от времени и температурного режима, определена температура и влажность выделяющихся газов, установлены физические свойства фильтрующих материалов в зависимости от их влажности и структуры, исследован процесс биологической фильтрации газов от времени компостирования и установлена эффективность использования различных типов фильтрующего материала для очистки газов от аммиака и сероводорода.

Экспериментально определено минимальное время фильтрации газов.

Обоснованы конструктивно-режимные параметры работы биофильтра для обеспечения экологической безопасности производства органических удобрений ускоренным способом.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................;.........................................................6

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА..................10

1.1 Анализ биохимических процессов и состава газов при ускоренном компостировании отходов животноводства..................................10

1.2 Результаты поискового эксперимента.................................................17

1.3 Анализ существующих способов очистки газов..............................18

1.4 Обзор существующих конструкций биологических фильтров для очистки газов.........................................................................................................24

1.5 Выводы. Цель и задачи исследований.................................................44

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗОВ....................................................46

2.1 Теоретическое исследование скорости движения газов в фильтрующем материале......................................................................................47

2.2 Исследование процесса адсорбции газов фильтрующим материалом...............................................................................................................

2.3 Исследование процесса абсорбции биологической пленкой.........58

2.4 Исследование процесса микробиологического разложения в биопленке...............................................................................................................50

2.5 Выводы. Цель и задачи экспериментальных исследований...............66

ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................68

3.1 Программа проведения исследований...................................................68

3.2 Методика исследования состава газов при компостировании соломонавозной смеси..........................................................................................69

3.3 Методика определения температуры и влажности газов....................72

3.4 Определение вида пористого фильтрующего материала и его физико-механических свойств...........................................................................................73

3.4.1 Определение вида фильтрующего материала и массовой доли

его компонентов....................................................................................................73

3.4.2 Методика определения пористости фильтрующих материалов..............................................................................................................74

3.4.3 Методика определения влажности фильтрующих материалов....................................................................................76

3.4.4 Методика определения насыпной плотности фильтрующих материалов..............................................................................................................77

3.5 Определение потерь давления при движении газов в фильтрующем материале..........................................................................................................78

3.6 Обоснование геометрических размеров лабораторной установки для исследований биологической фильтрации газов................................................80

3.7 Методика экспериментального исследования биологической фильтрации газов, выделяющихся при ускоренном компостировании соломонавозной смеси..........................................................................................82

3.8 Обработка экспериментальных данных................................................85

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................................................91

4.1 Результаты исследований концентрации газов при компостировании соломонавозной смеси........................................................................................91

4.2 Результаты исследований температуры и влажности газов................97

4.3. Результаты исследований физико-механических свойств

фильтрующих материалов....................................................................................99

4.3.1 Результаты исследований пористости и влажности фильтрующих материалов..................................................................................99

4.3.2 Результаты исследований насыпной плотности фильтрующих материалов............................................................................................................101

4.4 Результаты исследований потерь давления в фильтрующем материале.....................................................................................102

4.5 Результаты исследований оптимальной скорости фильтрации и высоты фильтрующего материала....................................................................ЮЗ

4.6 Результаты экспериментальных исследований эффективности очистки газов.....................................................................................................107

4.7 Выводы...................................................................................................ИЗ

ГЛАВА 5 ОПЫТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРОВЕРКА И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ВНЕДРЕНИЯ.......................................................................................................П5

5.1 Опытно-производственная проверка технологического процесса биологической фильтрации................................................................................115

5.2 Технико-экономическая оценка результатов внедрения биофильтра...........................................................................................................П7

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................................123

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Согласно данным экологической комиссии Европейского Союза, свыше 80% аммиака, загрязняющего атмосферный воздух, и 10% метана, разрушающего озоновый слой, поступают от навоза и помета, в результате их несвоевременной заделке в почву и хранении в открытых накопителях. Экологи Европы полагают, что основной причиной образования азотосодержащих кислотных дождей является неудовлетворительная работа с навозом и пометом [1].

В рамках национального проекта развития АПК на 2013...2020 гг. планируется, что среднегодовой темп роста валовой продукции сельского хозяйства должен составить не менее 2,4...2,5%, производства пищевых продуктов - 4,3...5,0%. Более высокие темпы намечены по группе мяса и мясопродуктов, молока и молокопродуктов, плодоовощной продукции. Уровень использования производственных мощностей должен достигнуть 85% [2].

Вместе с тем, увеличение производства продукции животноводства без использования современных технических средств и технологий хранения и переработки отходов, порождает новые проблемы связанные с ухудшением экологической обстановки за счет загрязнения водоемов, земельных угодий и воздушного бассейна [2, 3].

В системе переработки навоза особое значение имеет технология ускоренного компостирования, протекающая при контакте соломонавозной смеси с кислородом воздуха и позволяющая получить высококачественное органическое удобрение с высокими агрохимическими свойствами. Данный процесс сопровождается микробиологическим разложением содержащихся в смеси компонентов, при этом образуется значительное количество более простых соединений, часть из которых выделяется в газообразном виде. Особую опасность при этом представляют аммиак и сероводород.

Таким образом, возникает актуальная задача для сельского хозяйства в совершенствовании технологии очистки газов образуемых при переработке

отходов животноводства, которая может быть решена путем разработки и обоснования конструктивно-режимных параметров биофильтра.

Работа выполнена в соответствии с:

- программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг.: шифр 09.01.04 - Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для производства конкурентоспособной продукции животноводства (включая пастбищное) и птицеводства, производства комбикормов в хозяйствах, уборки, переработки навоза и подготовки высококачественных органических удобрений (головной институт ГНУ ВНИИМЖ);

государственным контрактом № 8313р/13102 от 01.07.2010 г. с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на выполнение НИОКР по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.) на тему «Разработка биологического фильтра для очистки воздуха в животноводстве», срок выполнения до 1.07.2012 г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Снижение содержания вредных веществ, выделяющихся при ускоренном компостировании соломонавозной смеси.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИИ. Технологический процесс биологической фильтрации газов, выделяемых в процессе ускоренного компостирования соломонавозной смеси в камерных установках.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИИ. Установление закономерностей взаимодействия газов с фильтрующим материалом.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ. В теоретических исследованиях использовали законы газодинамики, гидравлики, массопередачи, кинетики процесса сорбции и биотехнологии. В экспериментальных исследованиях нашли применение методики планирования экспериментов, ГОСТы на определение физических свойств, а также частные методики исследования процесса биологической фильтрации.

Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики. В исследованиях применяли серийные приборы для определения температуры, влажности, скорости движения и концентрации газов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научную новизну составляют:

- математическое описание процесса биологической очистки газов;

- теоретически обоснованные конструктивно-режимные параметры биофильтра;

- закономерности изменения физических свойств фильтрующего материала от его состава и влажности;

- зависимости изменения эффективности очистки газов от температуры, состава и влажности фильтрующего материала.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в разработке и обосновании оптимальных конструктивно-режимных параметров биологического фильтра для очистки газов, выделяющихся при ускоренном компостировании соломонавозной смеси, позволяющего обеспечить экологическую безопасность производства органических удобрений.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Результаты исследований процесса биологической фильтрации газов и конструкция биологического фильтра приняты к внедрению в ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского района Тамбовской области, в научно-производственном предприятии ООО «Вектор», а также используются в учебном процессе кафедры «Механизация производства и безопасности технологических процессов» ФГБОУ ВПО МичГАУ и кафедры «Автомобильная и аграрная техника»

ФГБОУ ВПО ТГТУ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий в АПК» (г. Мичуринск, ФГБОУ ВПО МичГАУ, 2009 г.), научно-практической

конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК», (г. Мичуринск, ФГБОУ ВПО МичГАУ, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких растений» (г. Мичуринск, ФГБОУ ВПО МичГАУ, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные технологии и модернизация в отрасли» (г. Подольск, ГНУ ВНИИМЖ, 2011 г.), Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ (г. Саратов, ФГБОУ ВПО СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2011 г.), научно-технической конференции «Научные аспекты переработки органических отходов животноводства и растениеводства» (г. Ростов-на-Дону, 2012 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации отражены в 11 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публикаций составляет 4,17 п.л., из которых 1,12 п.л. принадлежат лично соискателю. Техническая новизна работы подтверждена наличием 1 патента РФ на полезную модель.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 170 машинописных страниц, 50 рисунков, 19 таблиц, 129 литературных источников и 5 приложений.

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

1.1 Анализ биохимических процессов и состава газов при ускоренном компостировании отходов животноводства

Механизм воздействия запаха различных веществ на человека возможен вследствие летучести химических соединений, тесно связанных с давлением паров, а также их растворимости в воде и растворителях [4].

В процессе компостирования смеси навоза с влагопоглощающим материалом, в результате микробиологических процессов, происходят физические и химические превращения, в ходе которых образуется стабильный гу-мифицированный конечный продукт, представляющий ценность для сельского хозяйства как органическое удобрение и как средство, улучшающее структуру почвы [5,6].

В настоящее время перспективным способом утилизации отходов животноводства является ускоренное компостирование, технологический процесс которого осуществляется в непрерывном режиме в особых, теплоизолированных биоферментаторах различной формы и конструкции [7, 8].

Ускоренное компостирование протекает при постоянном контакте смеси с кислородом воздуха за счет его непрерывной либо периодической подачи в биоферментатор. Удельный расход воздуха составляет 4,5...6,0 м на тонну компостной массы в сутки [7]. При этом происходит выделение тепла достаточного для поднятия температуры в смеси до 60...75°С, что приводит к уничтожению патогенной микрофлоры, жизнеспособных личинок гельминтов и потере всхожести семян сорных растений [9, 10]. По данным английских исследователей 60% сальмонелл из свиного навоза погибают в течение 3...4 недель при снижении рН и за 2 недели при аэрации навоза [11].

В процессе компостирования при высокой температуре количество воды и азота существенно снижается, при этом теряется около 40% массы ор-

ганического вещества, что приводит к увеличению зольности [9].

При компостировании происходит практически полное разложение жиров и превращение лигноцеллюлозы в гумусоподобные вещества с высокой емкостью катионного обмена, снижается содержание неэкстрагируемых органических веществ и фульвокислот и увеличивается содержание гумуса, который образуется только в аэробных условиях [5].

Содержащаяся в отходах мочевина, под влиянием микроорганизмов Micrococcus urea, Sporosarcina urea, Bacillus pasteurii, преобразуется в карбонат аммония [12-15]:

C0(NH2)2+2H20 (NH4)2C03 Данные микроорганизмы обладают ферментом - уразой, что обуславливает дальнейшее разложение карбоната аммония до аммиака и углекислого газа:

(NH4)2C03-> 2nh3t+co2t+h2o

При большем содержании в навозе легкоразлагающихся органических веществ и лучшем доступе воздуха разложение карбоната аммония протекает интенсивнее [14, 15].

Азотистые соединения подстилки, также разлагаются с выделением свободного аммиака, но очень медленно, поэтому при большом количестве углеродистых веществ, образующийся аммиак полностью используется микроорганизмами [16, 17].

Безазотистые органические вещества навоза представлены клетчаткой и другими легкоразлагающимися органическими веществами. При аэробных условиях клетчатка разлагается с образованием углекислоты и воды [5, 18 -20]:

C6H10O5 + Н20 + 602 = 6С02|+ 6Н20 При анаэробном разложении клетчатки образуется углекислый газ и метан:

С6Н10О5 + Н20 = ЗСОзТ + ЗСН4|

Углерод используется микроорганизмами для получения энергии, а азот для построения структуры клетк�