автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка технологии и оборудования для переработки биоорганических отходов

На правах рукописи

Спиридонова Елена Владимировна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ БИООРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Специальность 052002 - Электротехнологии и электрооборудование в

сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2003

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,_

профессор Коба Виктор Григорьевич кандидат химических наук, доцент Чесноков Борис Павлович доктор физико-математических наук, профессор Уманский Игорь Маркович

кандидат технических наук, доцент Жучков Геннадий Петрович

Ведущая организация: ОАО по проектированию сетевых и энергетических потребителей Поволжского региона - институт «ПоволжСЭП»

Защита состоится 26 сентября 2003 г. на заседании диссертационного совета Д 220.061.03. при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, д. 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного аграрного университета имени Н.И. Вавилова.

Автореферат разослан 2. Л августа 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Волосевич Н.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие интенсивных технологий в сельском хозяйстве, а также перевод животноводства и птицеводства на промышленную основу создали серьезную проблему утилизации значительных объемов жидких органических отходов, основными источниками которых являются крупные животноводческие и птицеводческие комплексы. Сельское хозяйство, становясь источником загрязнения окружающей среды, требует особого внимания в решении данной проблемы. Ежегодное количество отходов сельскохозяйственного производства составляет 250 млн т, из них 150 млн т приходится на животноводство и птицеводство. Кроме того, животноводческие и птицеводческие стоки являются благоприятной средой для длительного сохранения жизнеспособности яиц гельминтов и патогенных микроорганизмов. Известно, что в жидком навозе возбудители рожи свиней в теплое время года сохраняют вирулентные свойства в течение 92 дней, бруцеллеза и вируса ящура - 108 и 42 дней. В этой связи биоконверсия сельскохозяйственных отходов приобретает решающее значение для агропромышленного производства.

Существующие способы анаэробной переработки не обеспечивают полного обеззараживания и более глубокого разложения отходов сельскохозяйственного производства.

Разработка биогазовых установок и технологий переработки жидкого навоза и помета в условиях анаэробного сбраживания для получения газообразного топлива и органических удобрений при метановой ферментации отходов сельскохозяйственного производства в настоящее время является актуальной задачей.

Физико-химические, микробиологические свойства и санитарные требования органических удобрений, получаемых в результате анаэробного сбраживания, можно улучшить, если в технологию переработай ввести операцию высоковольтного импульсного разряда.

Работа выполнена по научному направлению 1.2.9: «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в АПК Поволжского региона до 2010 г.» (№ гос. per. 840005200).

Цель исследования: интенсификация процесса анаэробного сбраживания водного органического субстрата и получение научнообоснованных решений по разработке технологии и оборудования с использованием высоковольтного импульсного разряда при производстве высококачественных органических удобрений и био газа.

Объект исследований: водный органический субстрат при анаэробном сбраживании и технологическая оснастка, обеспечивающая высоковольтную импульсную обработку.

Научную новизну имеют:

- способ анаэробной переработки органических веществ водного субстрата

куриного помета под воздействием высоковольтного импульсного разряда,

техническое решение которого защищено патентом;

- исследование основных закономерностей в кинетике процесса разложения

органического субстрата по предлагаемой техрс^уотшдатжщш г на' х!арак-

БИБЛИОТЕКА С. Петербург

ОЭ weQ Vi '

тер продуктивности микроорганизмов, ответственных за переработку биоорганических отходов;

- метод диагностики трансмиссионно-резонансной КВЧ/СВЧ-радноспектро-скопии высокого разрешения, позволяющий идентифицировать частоты собственных молекулярных колебаний в биологических и физических объектах;

- модель и теоретические аспекты электровзрывного разрушения водного субстрата, а также методика исследования структуры при активации процесса;

- явление фазового перехода органических составляющих водного субстрата куриного помета;

- разработка источника высоковольтного импульсного разряда, а также разрядника обеспечивающего автономную обработку субстрата. Практическая ценность работы. Разработана принципиально новая технология и комплекс устройств по переработке органических отходов, в частности птицеводства, при снижении топливно-энергетических затрат. Установлено повышение выхода биогаза с единицы поверхности сбраживаемого вещества при одновременном получении экологически чистых органических удобрений с улучшенными агрохимическими свойствами. Получен патент № 2207325 РФ на «Способ инициирования процесса анаэробного сбраживания».

Реализация результатов работы. Способ инициирования анаэробного сбраживания и технологическая оснастка, обеспечивающая этот процесс, прошли апробацию и внедрение в ОНО ППЗ «Маркс» ГНУ МНТЦ «Племптица» Россель-хозакадемии, Марксовского района Саратовской области.

Апробация работы. Результаты исследований по диссертационной работе доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава СГАУ им. Н.И. Вавилова в 2000-2003 гг., на межвузовской научно-практической конференции «Молодые ученые - Саратовской области», Саратов, 2002 г., на научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 115-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова, Саратов, 2003 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе материалах конференций 2. Общий объем публикаций составляет 1 пл., из которых 0,7 пл. автору принадлежит лично.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложений, изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 57 рисунков и 3 приложения.

Список использованной литературы включает 99 наименований, из них 9 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы и изложение основных научных положений, выносимых на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» приведен обзор существующих и перспективных технологических решений по переработке биоорганических отходов. На основе анализа литературных источников и патентного поиска обоснована цель диссертации, сформулированы научные задачи.

Технология анаэробной переработки органических отходов в настоящее время является актуальной задачей, большой вклад в развитие данного направления внесли такие ученые, как Анастасьев Н.М., Виноградов Н.В., Сошко-Германова

A.Г., Вильяме В. Р., Баадер В, Доне Е., Форстер К.Ф., Панцхава Е.С., Дубровский

B.C., Виестур У.Э., Кирюшатов А.И.

По результатам материалов обзора установлено, что процесс переработки биоорганических отходов нуждается в совершенствовании, в частности инициировании процесса анаэробного сбраживания при получении органических удобрений, не содержащих патогенной микрофлоры, яиц гельминтов и семян сорняков.

На этом основании и в соответствии с целью исследований сформулированы следующие задачи:

1. Провести анализ способов и технических средств по переработке биоорганических отходов сельскохозяйственного производства с целью разработки перспективного технологического решения.

2. Теоретически обосновать предлагаемый способ переработки органических веществ водного субстрата куриного помета под воздействием высоковольтного импульсного разряда и предложить конструкцию устройства, обеспечивающего автономную обработку субстрата.

3. Исследовать воздействие высоковольтной импульсной обработки на инициирование процесса анаэробного сбраживания водного органического субстрата;

4. Провести испытания способа инициирования процесса анаэробного сбраживания в производственных условиях.

5. Определить экономическую эффективность использования предлагаемого способа.

Во второй главе «Теоретическое обоснование воздействия высоковольтной импульсной обработки на процесс анаэробной переработки водного органического субстрата» для решения поставленной задачи, с целью объяснения результатов теоретического и экспериментальных исследований изучены возможности наиболее целесообразного ввода энергии в исследуемый объект и предлагается модель воздействия электрического разряда на водный органический субстрат.

Установлено, что обработка компонентов водного органического субстрата высоковольтным разрядом характеризуется увеличением гидравлического и гидродинамического эффектов за счет высокой скорости разогрева и испарения жидкости в межэлектродном зазоре, что приводит к структурным изменениям жидкой составляющей и органических веществ. В процессе обработки напряжение на межэлектродном промежутке превышало пробойное, и образовавшиеся стримеры вызывали расслоение разрядного тока по двум направлениям: ток по жидкой фазе J )l({f) и ток в парах Jп (t):

Jif)=JXif) + Jn{t). (1)

При этом токовые составляющие распределяются по величине обратно пропорционально сопротивлениям жидкой фазы Кж и окружающей ее быстро расширяющейся плазмы :

(2)

кж+кп

(3)

кж+кп

В соответствии с этим аналогичным образом распределяется энергия, выделяющаяся в разрядном промежутке:

АЕЖ=АЕП^-. (4)

кж

При нагреве субстрата до температуры кипения энергия, выделяющаяся в субстрате и идущая на его испарение

<1ЕЖ = = -2пХ р / гжсЬгж, (5)

где X - теплота испарения Дж/м3; р - плотность жидкого вещества, кг/м3; Гж

- радиус жидкого столба, м; I - величина столба жидкого субстрата в разрядном промежутке, м.

Поскольку Яж =-^-» (6)

то уравнение (3) можно представить в виде

- 2Ж Л = -2тсА,р гжс1гж. (7)

П?Ж<5Ж

где Ож- проводимость жидкости вблизи температуры кипения, Ом"1 м"1.

Зная временную зависимость Jж = Лж({) и решая уравнение (7), можно найти изменение радиуса жидкого столба от времени, а также время полного испарения жидкой среды и среднюю мощность, необходимую для испарения:

АЕ ЯТ^/рА,

Уравнение теплового баланса для плазмы можно записать в следующем виде:

т2

'п^п

5а

и

ат

2>Д£,ехр (~Ел/кт) Е^.ехр (~Е,/кТ)

1 <ЯГ

( 2\ П7П8У

где 5" - сечение плазменного столба, м; Г0 - начальный радиус испаряемого вещества, м; V - скорость разлета плазмы, м/с; ш - масса атома вещества, кг; С - теплоемкость плазмы, Дж/К; СТ - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2-К4); П - концентрация плазмы, м"3;

П-

т

г0 + \vclt

о )

-г

ж

= пе+п,+па,

(10)

где Пе — концентрация электронов, м"; Па - концентрация нейтральных атомов, м'3; Пг - концентрация носителей ионов, м"3. Концентрация носителей ионов П1 определяется по формуле:

п,=пе =

1-а 1

-и-. (П)

а К

где К - константа ионизационного равновесия.

Скорость радиального разлета плазмы V определяется из баланса кинетического и магнитного давлений:

Т2

(12)

(г ~ гж )т ~~~ = пкТ -

Л

где Н - напряженность собственного магнитного поля тока, А/м, Н = ——.

2пг

Таким образом, имея полную систему дифференциальных уравнений (7), (9), (12), можно определять величину необходимой мощности для испарения и активации субстрата в зазоре электродов, которая зависит от параметров жидкого субстрата (/, г0) и характеристики органического вещества (к, Ож, т, р).

Чтобы найти эти зависимости в аналитической форме, решим задачу при условии ряда упрощающих предположений.

Согласно уравнению (5), можно записать выражение усредненной мощности, потребляемой при испарении водного органического субстрата в зоне разряда (Т0 — гж)за время А / :

Д/

Время обработки определяется исходя из уравнения

АЕ

/ =-. (14)

^ОБЩ

Для повышения эффективности обработки субстрата с менее благоприятными параметрами необходимо соответствующее сокращение времени ввода энергии и увеличение напряженности поля V0 /I.

Смысл последнего утверждения очевиден и заключается в перераспределении энергий, выделяющихся в водном субстрате и плазме:

IV

П =-2-• 05)

/ + _ ажгж

Откуда видно, что чем меньше расширение плазмы, тем большая часть мощности }¥, подведенной к разрядному промежутку, выделяется в зоне обработки

к о).

С другой стороны, увеличение скорости ввода энергии приводит к повышению КПД установки. Это подтверждается расчетом, так как КПД установки:

1

л~>0 ~ 1 + ъКцЦ[*п{Ь2-г2ж)+<зжг2ж] (16)

где УУ - мощность на разрядном промежутке, Вт; ¡¥0 - полная мощность, развиваемая установкой, Вт; Я - сопротивление разрядного промежутка, Ом;

/? ц - сопротивление внешней части разрядной цепи, Ом;

При минимальном сопротивлении внешней цепи 5 —> Г0, то Т| —> "Птах •

Рассматривая начальную монотонную стадию нагрева водного органического субстрата при протекании предпробойных токов с целью определения начального изменения температурного поля в водном органическом субстрате, а также всех связанных с ним величин, запишем систему уравнений, описывающих поведение несжимаемой жидкости в электрическом поле

— + ШТ1 = А 74 -^а(Т)Е2 (18)

ск уСР уСР

1 = -Уф, У(8Б0£)=р, ] = а(Т)Е-рУ,

(22)

(21)

(19)

(20)

а у

(23)

(24)

В системе уравнений (17 - 24) не учитывались сила тяжести, токи смещения и электрострикционные силы. Сила тяжести несущественна в предпробойных явлениях, а токи смещения малы по сравнению с током проводимости; электрострикционные силы также малы и не влияют на распределение скоростей жидкости. Кроме того, такие характеристики жидкости, как плотность ], А/м2, теплопроводность Ху, Вт/К-м-; теплоемкость Ср, Дж/К; электрическая проницае-

менной функцией температуры.

Определим значение конвективной составляющей тока. Из уравнений тока и поля легко получить уравнение для объемного заряда

Для начальной стадии, когда скорость разлета плазмы еще не может достигать больших значений, первым слагаемым можно пренебречь, и тогда уравнение для плотности объемного заряда примет следующий вид:

мость Б, считаются постоянными, а электропроводность рассматривается пере-

(25)

ее0

р = -£Е0 ЕЧ 1п а (Г) = -ее0 ^-ЕУТ.

с/Г

(26)

Воспользуемся упрощенной зависимостью электропроводности жидкости от температуры:

о(Г)=а0(/ + а(Г-Г0)), (27)

где О0 - исходная электропроводность, соответствующая начальной температу-

—2

ре Т0\ а -температурный коэффициент^ «10 К"1).

Анализируя величину конвективной составляющей тока, легко убедиться,

что она становится значительной при Еп<108 В/м, следовательно, при б 7

Еп ~ 10 ...10 В/м ею можно пренебречь. Тот факт, что при оценке мы пренебрегаем КVр, не может существенно изменить полученного результата, поскольку для полей, обеспечивающих развитие пробоя, ток конвекции более чем на три порядка меньше тока проводимости.

Установлено, что теплопроводность субстрата несущественна, если выполняется условие

1

(28)

2 Кг

Хт »

<Х0О Е

где 1т

>0

10

характерный размер температурной неоднородности. Для 2 Ом"'-м и Е ~ 107 В/м имеем »10 10 м2, откуда сле-

дует, что по крайней мере для масштабов >0,1 мм теплопроводностью можно пренебречь.

Начальная стадия формирования разряда в проводящей жидкости описывается системой уравнений:

ат

Л у СР х ' У£ + У£1п<т(Г)=0, £ = -Уф.

(29)

Электропроводность жидкости определяется формулой

С

>О

V уср г

2 К/ I Кг 2 ^

1 + —^^ уСр г

V

Установлено, что под воздействием высоковольтного импульсного разряда скачком меняются термодинамические характеристики: плотность, магнитная и электрическая восприимчивость, ряд других особенностей в поведении органического субстрата.

Водный раствор органического субстрата можно представить и единым целым, так состоящим из слоев. Слои являются проводящей средой и имеют свою электропроводность и диэлектрическую проницаемость. При действии постоянного и изменяющегося во времени электрического поля в проводящей однородной и изотропной среде любая исследуемая область определяется системой уравнений:

— , йФ

<1п

7 = у Е, Е = 7р, (31)

СНу] = 0, СИуЁ, Ч2Ф = 0,

где Е- напряженность, В/м; Ф - потенциал электрического поля, В; п - направление нормали к поверхности равного потенциала; у - удельная проводимость, См/м; р~ удельное сопротивление водного органического субстрата, Ом/м; у - плотность электрического тока, А/м2.

На границе раздела слоев образуются поверхностные абсорбционные заряды, которые вызваны изменением свойств каждого слоя.

По мере накопления заряда абсорбции напряженности в слоях меняется: Е1 и Е] увеличивается, а Е2 уменьшается, так как для ионов низкомолекулярных электронов будет выполняться соотношение Е2>Е1>Е3. Трехслойную структуру водного органического субстрата можно представить как плоский конденсатор с трехслойным диэлектриком (рис. 1).

Рис. 1. Трехслойная структура водного органического субстрата и замещения ее схема: 1 - легкоподвижный субстрата; 2 - квазижидкий слой; 3 - плотный слой

Под действием сил на границе раздела слоев происходит нарушение слоистости субстрата, смешивание различных по плотности слоев жидкости, при этом происходит уменьшение сопротивления.

Электрическая энергия каждого слоя формируется в результате поляризации, которая определяется по формуле

NPÁE

ЗкТ

(32)

где Е - напряженность электрического поля, В/м; N - число молекул; У - момент одной молекулы, Кл-м; к - коэффициент Больцмана, Дж/К; Т -абсолютная температура, К.

Для органического субстрата, разлагаемого микроорганизмами, скорость изменения концентрации субстрата С во времени выражается следующей зависимостью:

dC di

С

\Кс +с.

(33)

где \Хт - максимальная удельная скорость утилизации субстрата, кг/(кг-сут); X - концентрация биоорганической массы в реакторе, мг/л; Кс - концентрация субстрата, при которой скорость реакции составляет половину от максимальной (константа Моно), мг/л.

Удельная скорость роста микроорганизмов fJ. находится из уравнения

dCY

di х'

(34)

где У - коэффициент выхода (количества биоорганической массы, образовавшейся на 1 кг потребленного субстрата), кг/кг.

С учетом (33) уравнение (34) примет вид:

' - \

(35)

Введение коэффициента выхода продуктов реакции разложения У в уравнение (33) позволяет преобразовать его в формулу скорости роста биоорганической массы:

dx v- С

-= U.XI -.

dx Кс+С

(36)

Если в формуле учесть произведение Ьх, выражающее «эндогенное дыхание», то получим

сЬс „С , ах кс + с

где Ь - коэффициент поддержания, 1/сут;

Следовательно, удельная скорость роста микроорганизмов в зависимости от скорости изменения концентрации субстрата будет иметь вид:

^ = (38)

Ас+С

Электроимпульсная обработка позволяет влиять на скорость разложения водного органического субстрата. Теоретические предпосылки по изучению кинетики разложения твердого органического вещества позволили сделать вывод, что обязательным звеном в сложной цепи механизма изотермических превращений, является превращение общего вида:

те. вещество А

те. вещество В + газ С

Аналогичные превращения имеют место и при анаэробном сбраживании органических отходов сельскохозяйственного производства.

Таким образом, при анаэробном сбраживании комплексное соединение, из которого состоит водный органический субстрат, претерпевает сложные изменения, которые и определяют схему механизма разложения (рис. 2).

Электроимпульсная обработка

Вещество А

Куриный помет

гаиииха л

Вещество В Газ С

РА К,О

N

ЕО

Н20 ОН

СО

н,

со2

н

Оз

о,

Рис 2. Схема разложения водного органического субстрата Высоковольтная импульсная обработка органического вещества обеспечивает наведение активных центров, которые становятся ответственными за процесс разложения, и являются причиной резкого увеличения скорости разложения.

В третьей главе «Методики и оборудование для экспериментальных исследований» изложены методики исследования процесса инициирования анаэробного сбраживания водного органического субстрата, подвергнутого высоковольтной импульсной обработке.

Для проведения «тонких» исследований по изменению свойств воды и водного органического субстрата под воздействием искрового электрического разряда был использован метод, разработанный учеными СФ ИРЭ РАН Н.И. Сини-цыным, В.И. Петросяном и В.А. Елкиным трансмиссионно-резонансной КВЧ/СВЧ-радиоспектроскопии. Являясь косвенным методом исследования взаимодействия миллиметровых волн с различными средами, он позволяет обнаружить дополнительно к радиотепловому фону радиоизлучение собственных резонансных частот молекулярных колебаний биологических объектов.

Для определения изменения рН водного органического субстрата в ходе его обработки высоковольтным импульсным разрядом использовался прибор рНРЯО.

Разделение сыпучей массы сухих отходов переработки органического сырья по величине гранул осуществлялось набором сит с помощью лабораторного рассева РЛЭ-03. Исследования спектра мутности воды после высоковольтной импульсной обработки проводилось на фотометре КФК-3. Измерение пористости и удельной поверхности органических веществ методом Брунауэра-Элемента-Тейлора (БЭТ), использовался анализатор «Микрометрик 2100».

Микробиологические исследования были проведены по стандартной методике и включали в себя изучение морфологических, культуральных и биохимических свойств микроорганизмов.

В четвертой главе «Результаты исследований и их анализ» представлены экспериментальные данные, полученные в возбужденной системе водного органического субстрата под воздействием высоковольтного импульсного разряда. Методом трансмиссионно-резонансной КВЧ/СВЧ-радиоспектроскопии установлено, что процесс активации субстрата в значительной степени связан со структурными изменениями воды. Методом микролокации зарегистрировано воздействие сильных возмущений, вызванных высоковольтным импульсным разрядом на воду (рис. 3). Представленные на рисунке спектральные зависимости дистиллированной и водопроводной воды (спектры 1,3) до обработки и (спектры 2, 4) после высоковольтного электрического разряда свидетельствуют об изменении спектральных зависимостей водной среды от частоты.

Электрогидравлический эффект приводит к нарушению связей, возрастанию числа молекул со свободными связями, заполняющими пустоты тетраэдрической структуры. Эффект, обусловливающий «ломку» сложной структуры воды, вызывает изменение плотности, что подтверждается экспериментально. Взрывное воздействие на воду вызывает цепные реакции, идущие с участием свободных радикалов, а высокая скорость парокапельной жидкости способствует разрыву химической связи, более глубокому разложению и выделению газовых включений. Причем для возбужденных молекул воды, как видно из рис. 3 (спектры 2 и 4), характерно сужение спектральных линий в области 50 ГГц, что свидетельствует о формировании сверхтонкой структуры. Исследования позволили установить из-

менения и в органической структуре раствора водной среды после воздействия высоковольтного разряда.

Спектр (рис. 4) показывает, что частоты собственных молекулярных колебаний воды и субстрата с биосредой микроорганизмов, полученных по известному способу и разработанному, имеют характерные отличительные особенности.

В процессе исследования спектров резонансных частот образцы помещали в магнитное (напряженностью 300 э) и электрическое (напряженностью ЗОВ/см) поле, к которому они чувствительны, и наблюдая за поглощением или отражением радиоволн, судили о степени активности и структурных изменениях в исследуемых объектах.

Анализируя спектральные зависимости, удалось установить, что варьируя количеством разрядных импульсов, можно перестраивать структуру водного органического субстрата, изменять энергию активации, создавая новые центры биохимической реакции.

В процессе обработки наблюдался обмен электронов в субстрате, что оказывает существенное влияние на биохимические реакции и позволяет решить проблему биоспецифического синтеза активных частиц, при создании систем анаэробного дыхания.

и.мВ

11,мВ

И

Рис 3. Спектральные зависимости водопроводной и дистиллированной воды Спектры. водопроводной воды до обработки (1) и после обработки высоковольтным разрядом (2), дистиллированной воды до обработки (3) я после обработки высоковольтным электрическим разрядом (4)

Рис. 4. Спектры собственных электромагнитных излучений органического субстрата при наложении магнитного (Н) н электрического (Е) полей: 1 - вода + органический субстрат птичьего помета необработанные, 2 - смесь воды с органическим субстратом птичьего помета, подвергнутые воздействию электрического разряда

Высокая активность макромолекулярных фракций биоорганических систем обусловлена появлением в исходной смеси активных частиц под воздействием поля электрического разряда обеспечивающих протекание биохимических реакций термофильного режима при 30 - 45°С, что ниже обычных условий на 10 -15°С.

Таким образом, использование разработанной методики позволяет дать более точную информацию о конформационных изменениях в веществах, а регистрация малых энергетических изменений управляемо влияет на получение нужных свойств.

Измерения концентрации водородных ионов рН показали, что водный органический субстрат, имеющий рН 6,10, после воздействия высоковольтными импульсами изменяет активность ионов водорода до рН 7,66, что благотворно влияет на развитие и жизнедеятельность микроорганизмов (рис. 5).

рн

Рис. 5. Кривая зависимости рН водного органического субстрата от количества разрядных импульсов и рабочего напряжения

Как видно из рис. 5, количество импульсов при обработке субстрата по технико-экономическим показателям не должно превышать 6-7 импульсов, которые вызывают наибольшую активность в микробиологической флоре.

Исследования показали, что электрогидравлический эффект вызывает дробление органических частиц. Частицы, полученные в результате воздействия высоковольтного импульса, выгодно отличаются малым размером и большим количеством при одновременном повышении удельной поверхности. Кроме того, появление обновленных поверхностей способствует повышению активности сбраживания органики в жидкой среде.

Изменение частиц по размерам свидетельствует о качественной характеристике конечного продукта, а предложенное техническое решение позволяет контролировать процесс реакции сбраживания и разложения твердых составляющих водного органического субстрата (рис. 6).

№(! 9.0.6,0 <,0.4 0 ifi -Л.0 ^ 2.0 [ рану.нжефи'н'екин сосгав riß фракциям, мм

i j -ис<»райетанкьгисубс1ра!

|JW -обработанный абсчрат Рис. 6. Диаграмма зависимости размеров и частиц от способа обработки

Таким образом, воздействие высоковольтной импульсной обработки дает возможность кардинальной перестройки органического вещества, что способствует получению высококачественных органических удобрений с улучшенными физико-химическими свойствами и стабильным гранулометрическим составом.

Частица органического вещества, полученная в процессе анаэробного сбраживания по известной технологии, имеет адсорбционную поверхность равную Sj = 1,69 м2/г, а по предлагаемой S, = 4,50 м2/г. Что можно объяснить внутренним расслоением органического вещества. Следовательно, предварительная обработка субстрата высоковольтным импульсным разрядом способствует активации биохимических процессов и обеспечивает распад органических веществ намного интенсивнее, чем при гомогенизация известным способом.

Спектральные характеристики зависимости оптической плотности D от длины волны, полученные монохроматографом фотометра КФН-3, показаны на рис. 7. Результаты исследований свидетельствуют об изменении асимметричности молекул, в биологических процессах это способствует появлению аминокислот сбраживаемым бактериями.

D

0.60 0,50 0,40 0J0 0,20 0.10 О

1 j Г" l-' ■, „Iii. l± а

1 I 1 l'r

' 1 ■ \J /u

"Ii i ; i ■ // 71

' ! fxAf i / \j ' ■ ' ■ /'S -/F

320 360 400 440 480

320 360 400 440 4M

Рис.7. Вода дистиллированная (а) и водопроводная (б) до обработки (кривая 1) и после обработки (кривые 2-5)

Зависимости оптической плотности воды от длины волны до и после обработки высоковольтным электрическим разрядом представленные на рис. 7. Указывают на то, что оптическая плотность связана с количеством разрядных 3, 5, 7 и 9 импульсов (кривые 2 - 5).

Анализируя графические зависимости можно говорить о том, что высоковольтный разряд вызывает деструктированность воды и изменение межатомного расстояния молекул. Зная среднюю дайну волны света (А,<-^) и показатель преломления воды (ц0 = 1,333), можно определить средний радиус молекулы воды. Оказалось, что диаметр молекулы воды в обычных условиях составляет 0,276 нм, а воды, подвергнутой электрическому разряду 7 импульсов при напряжении 8,2 кВ - 0,240 нм, а для 10 кВ - 0,200 нм.

Проведенные экспериментальные исследования свидетельствуют об изменениях микробиологических свойств водного органического субстрата вследствие анаэробного сбраживания, инициированного высоковольтной импульсной обработкой. На рис. 8,а представлен первый образец мазка субстрата, сброженного по промышленной технологии. В мазке обнаружено множество Грам-положительных, крупных палочковидных форм бактерий, располагающихся в основном попарно, реже одиночно и цепочками из 3 - 8 клеток.

ТГ^Г'ЗГ* ч !'■ ¥

I

Рис. 8. Мазок с субстрата (I образец), полученного по промышленной технологии (а) и мазок с субстрата (II), сброженного по предлагаемой технологии (б)

Во втором образце мазка субстрата, сброженного по предлагаемой технологии (рис. 8,6), обнаружены палочки, образующие пары и цепочки, реже единичные клетки. Внешне палочки похожи на те, что обнаружены в первом образце, но по размерам они меньше. Таким образом, разработанная технология переработки водного органического субстрата более эффективна в сравнении с традиционной.

Каталитическое воздействие электроразрядного импульса способствует окислительно-восстановительным процессам в жидком субстрате, а получая физиологически активные ферменты, удается провоцировать ускоренный рост и развитие анаэробных микроорганизмов, обеспечивающих метанообразование. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные данные по общему числу микроорганизмов в 1 мл содержимого исследованных образцов

Образец Разведение, в котором обнаруживаются микроорганизмы Количество колоний на последней чашке, где отмечается их присутствие Количество КОЕ в 1 мл образца

I 1: МО7 8 8-Ю7

11 1:110' 4 410"

Из приведенной таблицы видно, что наибольшее количество микроорганизмов 4-109 содержится в втором образце (рис. 8,6).

Экспериментально установлено явление фазового перехода в водном органическом субстрате, подвергнутого высоковольтной импульсной обработке. Структурная перестройка водного субстрата заключается в перераспределении электрических зарядов на границах раздела, с образованием верхнего слоя в виде льдоподобных образований из органических веществ, располагающихся в пустотах каркаса жидкости, и нижнего, более плотного слоя с органической составляющей, пространство между которыми разделено квазижидким слоем. Причем промежуточный слой по отношению к верхней и нижней поверхностям имеет электроотрицательный потенциал (рис. 9).

+анод

ОН ' - А1

ион гвдроксила нов кислотного _ _ остатка

ЖИДКАЯ ФАЗА СУБСТРАТА

_НГ - Мс'

иоа водород* ион металла

-камд

Рис. 9. Распределение электрического потенциала в среде субстрата воздействия высоковольтного импульсного разряда

На границе трех сред наблюдается сложный переход ввиду неравномерного распределения молекул органических веществ, молекулы жидкости имеют не симметричную конфигурацию зарядов. Именно этот фактор приводит, к относительно высокому взаимодействию сил, равнодействующая которых направлена к

центру молекул среды жидкой составляющей. Следовательно, обработанный субстрат представляет из себя электрохимическую систему, которых способна преобразовывать химическую энергию процесса распада субстрата непосредственно в электрическую. Токи, вырабатываемые в процессе распада органических веществ, могут быть направлены на стимуляцию процесса роста микроорганизмов. Межфазное расщепление водного субстрата характеризуется сложным переходом органических веществ. Электрическое поле ионов изменяет ориентацию диполь-ных молекул жидкости, искажая тем самым первоначальную ее структуру, и входящего в состав органического вещества, поскольку взаимодействие ион - вода и ион - вода - субстрат резко отличается от взаимодействия вода - субстрат. Появление ионов приводит к двум взаимно противоположным изменениям, нарушая тем самым упорядоченность молекул, характерную для необработанного водного субстрата. Этот разупорядочивающий эффект связан с увеличением энтропии.

Обнаруженное явление фазового перехода позволит раскрыть специфические закономерности изменения атомно-молекулярного строения водного субстрата. Сравнивая значения электрических параметров контактирующих поляризованных фаз, можно предсказать ход реакции того или иного гетерогенного процесса и скорость сбраживания.

В пятой главе «Оборудование и технология для обработки высоковольтным импульсным разрядом водного органического субстрата и расчет экономической эффективности» приводятся результаты производственных испытаний, технологические рекомендации и обоснование экономической эффективности предложенного способа.

В ходе производственных испытаний инициирования процесса анаэробного сбраживания по предлагаемому способу выяснена нецелесообразность использования электродов встроенных в камеру, вследствие чего был разработан универсальный разрядный узел (рис. 10), с помощью которого осуществлялась обработка водного органического субстрата.

о

Рис. 10. Высоковольтный разрядный узел. 1 - фторопластовый корпус; 2 - вольфрамовые электроды; 3 - высоковольтные провода; 4 - регулировочное устройство

Производственные испытания показали высокую технологическую эффективность универсального разрядника при переработке отходов птицеводства.

В процессе производственных испытаний было установлено, что предложенный способ полностью реализуется в производственной технологии. Применение данного способа показывает высокую степень разложения органического вещества, которая составляет 25 - 30 %, что выше допустимых значений по известной технологии сбраживания.

В результате анаэробного сбраживания, инициированного высоковольтным разрядом, в органическом удобрении наблюдается увеличение концентрации аммиачной формы азота на 27 - 29,5 %, что способствует повышению качества получаемого органического удобрения, на 45 - 98 % снижается всхожесть сорных растений, до 50 - 65 % дегельминтизируется навоз.

В таблице 2 приведены данные производственных испытаний для термофильного режима.

Таблица 2

Результаты производственных испытаний

№ п/п Параметры Прирастание микроорганизмов

Напряженность поля, кВ Количество импульсов, шт сут.

1 3 7 8

г 8 5 8 б

3 7 9 4

1 3 8 5

2 9 5 9 3

3 7 10 4

1 3 11 5

2 10 5 11 4

3 7 10 4

Производственные испытания способа инициирования процесса анаэробного сбраживания показали высокую степень эффективности его использования.

Предлагаемый способ позволяет снизить себестоимость 1 т переработанного органического удобрения (на 17,3 %), повысить производительность биогазовой установки за счет сокращения времени технологического цикла в (1,2 раза). Экономический эффект от использования оборудования на базе биогазовой установки составил 24 550 руб. год. Расчетный срок окупаемости капитальных вложений -1,7 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан способ инициирования анаэробного процесса сбраживания органических веществ (патент № 2207325 РФ) с использование высоковольтного импульсного разряда.

2. Предложена математическая модель процесса обработки компонентов водного органического субстрата позволившая:

— установить явление фазового перехода органических частиц в водной среде за счет перераспределения электрических полей, которые скачком изменяют такие термодинамические характеристики веществ, как плотность, концентрацию компонентов и теплоту перехода;

- смоделировать процесс течения хода реакции анаэробного сбраживания и предложить механизм кинетики разложения веществ составляющих водный органический субстрат.

3. Разработаны методы и технические средства, позволяющие перестраивать структуру воды и водного органического субстрата, создавать новые активные центры, изменяющие соотношения скоростей отдельных стадий сложной каталитической реакции и влияющие на процесс роста анаэробных микроорганизмов.

4. Разработаны оптимальные технологические режимы высоковольтной импульсной обработки в процессе анаэробного сбраживания, которые при рабочем напряжении 10 кВ соответствуют 5-7 импульсам в зависимости от требований активации процесса и уровня дегельминтизации.

5. Установлена возможность изменения концентрации водородных ионов

pH.

6. Установлено, что под действием высоковольтной импульсной обработки изменяются параметры молекул воды, в частности их диаметр молекул, а также происходит увеличение площади микроповерхностей органического вещества за счет внутреннего расслоения структуры.

7. Производственные испытания показали, что степень разложения органического вещества в результате анаэробного сбраживания на 8 - 10 % увеличивается. Гранулометрический состав распределяется следующим образом: содержание частиц крупной фракции органики >10 мм, полученной по промышленной технологии, составляет 23 %, а по предлагаемой - 8 %, содержание мелкой фракции < 2 мм, соответственно 22,3 % и 35,5 %. В органическом субстрате происходит увеличение концентрации аммиачной формы азота (до 27 - 29,5 %) и дегельминтизации куриного помета (до 50 - 65 %).

8. Использование разработанного оборудования и предлагаемого способа инициирования процесса анаэробного сбраживания позволяет на 17,3 %, снизить себестоимость 1 т органического удобрения, в 1,2 раза повысить производительность биогазовой установки за счет сокращения времени технологического цикла. Экономический эффект от использования предлагаемого способа составит 24 550 руб. год. Расчетный срок окупаемости капитальных вложений -1,7 года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Чесноков Б.П. Спиридонова Е.В., Озерский В.М., Кирюшатов А.И. Установка высоковольтного импульсного разряда // Повышение эффективности процессов механизации и электрификации в АПК: Сб. науч. работ / Сарат. гос агр. унт. им. Н.И. Вавилова. Саратов, 2001. С. 220 - 222. (0,125/0,03 п.л.).

2. Кирюшатов А.И., Чесноков Б.П., Спиридонова Е.В. Нетрадиционные энергосберегающие технологии //Актуальные вопрос энергосбережения и повышения

эффективности систем теплогазоснабжения энергетических сетей и комплексов: Межвуз. науч. сб. / Сарат. гос. тех. ун-т. Саратов, 2001. С. 11 - 15. (0,25/0,083

П.Л.).

3. Спиридонова Е.В. Электрический разряд как фактор инициирования метаноге-неза // Повышение эффективности процессов механизации и электрификации в АПК: Сбор. науч. работ / Сарат. гос агр. ун-т. им. Н.И. Вавилова. Саратов, 2001. С. 193 -195. (0,13 пл.).

4. Спиридонова Е.В. Биогаз как альтернативный источник энергосбережения // Молодые ученые - Саратовской области: сб. науч. ст./ Поволжская акад. гос. службы им. П.А. Столыпина. Саратов, 2003. С. 90 - 92. (0,13 пл.).

5. Спиридонова Е.В., Аблова О.В. Оборудование для переработки биоорганических отходов // Вопросы совершенствования систем теплогазоснабжения и вентиляции: Межвуз. науч. сб. / Сарат. гос. тех. ун-т. Саратов, 2002. С. 83 - 86. (0,19/0,05 п.л.).

6. Спиридонова Е.В. Новая технология в получении органических удобрений //.Тезисы докл. научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 115-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова. Саратов, 2002. С 120-121. (0,06 пл.).

7. Спиридонова Е.В. Основные особенности кинетики разложения составляющих водного субстрата //Молодые ученые ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» -агропромышленному комплексу Поволжского региона: Сб. науч. работ: Саратов, 2003. С. 553 - 556. (0,2 пл.).

8. Спиридонова Е.В. Патент № 2207325 РФ, МКИ С 02 F 11/04, 9/30. Способ ини-

циирования процесса анаэробного сбраживания / Чесноков Б.П., Спиридонова Е.В., Петросян В.И., Угаров Г.Г., Аблова О.В. (РФ). № 2001125143/13; Заявлено 12.09.01; Опубл. 27.06.03; Бюл. № 18.

Подписано в печать 09.07.2003 г. Формат 60x84 Vi6. Бумага офсетная. Печать RISO.

_Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ _

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» 410600, Саратов, Театральная пл., 1. Отпечатано в типографии ЦНТИ, г. Саратов, ул. Советская, 60

\j025~ ►1308 5

РЕФЕРАТ.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Обзор существующих и перспективных технологических решений по переработке биоорганической массы

1.2. Особенности синтеза и технологии анаэробного сбраживания водного органического субстрата (на основе куриного помета).

1.3. Анализ и перспектива использования электроимпульсной обработки в агропромышленном комплексе.

1.4. Анализ конструкций биогазовых установок.

1.4.1. Особенности конструкций установок отечественного производства

1.4.2. Зарубежный опыт по использованию технологического биогазового оборудования

1.4.3. Классификация биогазовых установок.

1.5. Постановка вопроса, цель и задачи исследований

1.6. Выводы.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ НА ПРОЦЕСС АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВОДНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО СУБСТРАТА

2.1. Теоретические представления процесса высоковольтной обработки водного органического субстрата.

2.2. Математическая модель формирования электрического разряда в водном органическом субстрате.

2.3. Явление фазового перехода органических частиц в водном субстрате под действием высоковольтного импульсного разряда.

2.4. Моделирование процесса анаэробного сбраживания

2.5. Механизм кинетики разложения составляющих водного субстрата

2.6. Выводы.

3. МЕТОДИКИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Методика трансмиссионно — резонансной КВЧ/СВЧ радиоспектроскопии

3.2. Методика потенциометрии для определения рН.

3.3. Методика определения гранулометрического состава

3.4. Методика определения спектра мутности.

3.5. Методика измерения пористости и удельной поверхности органического вещества.

3.6. Методика микробиологических исследований.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

4.1. Анализ исследований трансмиссионно-резонансной КВЧ/СВЧ радиоспектроскопии

4.2. Определение pH водного органического субстрата.

4.3. Определение гранулометрического состава.

4.4. Определение спектра мутности.

4.5. Результаты исследований пористости и удельной поверхности органического вещества.

4.6. Микробиологическое исследование водного органического субстрата

4.7. Анализ фазового перехода органических частиц в водном субстрате

4.8. Выводы.

5. ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ РАЗРЯДОМ ВОДНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО СУБСТРАТА И РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ

5.1. Разработка устройства для высоковольтного импульсного разряда

5.1.1. Основные требования, предъявляемые к высоковольтной части устройства.

5.1.2. Обоснование электрической схемы высоковольтной части устройства.

5.1.3. Разработка универсального разрядника

5.1.4. Особенности эксплуатации оборудования.

5.2. Экспериментальная биогазовая установка для переработки водного органического субстрата с использованием высоковольтного импульсного разряда.

5.3. Результаты производственных испытаний.

5.4. Рекомендации по технологии обработки водного органического субстрата при анаэробном сбраживании с использованием высоковольтного импульсного разряда

5.5. Технико-экономическая эффективность обработки водного органического субстрата высоковольтным импульсным разрядом

5.6. Выводы.

Развитие интенсивных технологий в сельском хозяйстве, а также перевод животноводства и птицеводства на промышленную основу создали глобальную проблему утилизации большого объема жидких органических отходов, основными источниками которых, являются крупные животноводческие и птицеводческие комплексы. Сельское хозяйство, становясь источником загрязнения окружающей среды, требует особого внимания для решения данной проблемы, в этой связи биоконверсия сельскохозяйственных отходов приобретает решающее значение для агропромышленного производства.

Анализ работ [6, 7, 8, 14, 20, 25, 33, 34, 41, 90] показывает, что рациональное использование топливно-энергетических ресурсов невозможно без совершенствования существующих и создания новых энергосберегающих технологий, к которым в полной мере можно отнести процесс микробиологического сбраживания органических отходов. Совершенствование данного процесса позволит успешно бороться с высокой загрязненностью почвы и водных слоев отходами агропромышленного производства, а также решать вопросы по обеззараживанию и более глубокой переработке отходов растениеводства, животноводства и птицеводства с одновременным получением товарного биогаза и высококачественных удобрений.

Процессы, основанные на разложении органических отходов, с получением газа и последующим использованием его в быту известны давно: в Китае — мировом лидере по производству биогаза — история насчитывает 5 тыс. лет, в Индии — 2 тыс. лет.

К органическим остаткам и отходам сельскохозяйственного производства относятся продукты растениеводства, в особенности солома, свекольная и картофельная ботва и другие растительные остатки, если они не используются непосредственно в качестве корма, а также экскременты животных. Таких отходов ежегодно образуется 250 млн. т (по сухому веществу) из них: в животноводстве и птицеводстве - 150 млн. т, а в растениеводстве - 100 млн. т [25, 34].

Содержащиеся в органических веществах микроэлементы в большинстве случаев могут быть вновь использованы как органические удобрения, что позволит таким образом экономить минеральные удобрения, требующие больших затрат энергии и средств.

В последнее время разрабатываются биоэнергетические установки для переработки жидкого навоза в условиях анаэробного или аэробного сбраживания [9, 10, 11, 12, 29, 30,32, 87, 90, 98], для получения газообразного топлива и органических удобрений в процессе метановой ферментации отходов сельскохозяйственного производства.

Главным недостатком анаэробных процессов переработки является малая скорость реакции по сравнению с аэробными процессами [7], поэтому требуются установки больших размеров. К тому же сказывается недостаток фундаментальных научных знаний по этим процессам, а также опыта и данных по их крупномасштабной реализации. Следовательно, развитие в области анаэробной очистки сточных вод, стоков животноводческих и птицеводческих комплексов должно идти в направлении разработки систем с большой биологической активностью, проектирования более компактных аппаратов, при одновременном изучении кинетики, микробиологического и биохимического механизмов процессов сбраживания.

Установлено [15, 20, 25, 38], что анаэробная переработка отходов животноводства и растениеводства приводит к минерализации азота и фосфора — основных слагаемых удобрений, обеспечивая их лучшую сохранность, тогда как при традиционных способах приготовления органических удобрений методами компостирования безвозвратно теряется до 30.40% азота.

Российский опыт последних лет, показывает, что биогазовые технологии при их комплексной экономической оценке с учетом требований современного рынка становятся высокорентабельными [25]. Эти технологии являются, комплексными техническими решениями и в зависимости от социально-экономического положения общества на рынке может доминировать тот или иной продукт в зависимости от способа переработки. Если до последнего времени рынок определял в качестве доминирующего положения производство органических удобрений, а биогаз и экология, стояли на втором месте, то в настоящее время упор делается на выработку биогаза [25].

Физико-химические и микробиологические свойства органических удобрений можно улучшить, если в отдельные узловые моменты биогазовой технологии их производства ввести операцию высоковольтного импульсного разряда [24].

Идея использования высоковольтного импульсного разряда для решения ряда технологических процессов, в том числе и для обеззараживания животноводческих стоков была предложена Л. А. Юткиным и проверена им в ряде опытов [1,2,3,4, 5].

Применение электрофизических методов обработки веществ в последние годы является перспективным направлением исследований [26, 27, 28]. Однако эти работы не охватывают всех аспектов применения и в частности использования нового направления в микробиологии сбраживания органических отходов. Предлагаемые на основе электрофизических методов нетрадиционные технологии для агропромышленного комплекса являются инновационными.

Разработка и использование нетрадиционных технических решений позволит повысить выход биогаза и получать органические удобрения в жидком или минерализованном виде, не содержащих патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, нитратов и нитритов, семян сорняков. Отличительной особенностью получаемых удобрений является универсальность. Это позволяет использовать их для любых сельскохозяйственных и декоративных культур, обеспечивая тем самым минимальное повышение урожайности в 2.2,5 раза, а максимально по отдельным культурам прирост может достигать большей величины [20, 25, 34, 38].

В связи с интенсивным развитием птицеводства в Саратовской области и переводом его на промышленную основу возникла проблема утилизации отходов птицеводческих комплексов и фабрик. В связи с этим необходимо было решить вопрос по переработке куриного помета в ценное органическое удобрение с одновременным получением биогаза.

В частности, вопрос метановой ферментации куриного помета мало изучен, так как высокое содержание в нем органических веществ и азота аммонийных солей препятствует эффективному метаногенезу. Отсутствие сведений о выходе биогаза с единицы поверхности сбраживаемого помета, требуемого времени обработки и т.д., поставило ряд вопросов, которые требуют решения.

Актуальность настоящей диссертационной работы определяется необходимостью обеспечения устойчивого роста сельскохозяйственного производства. Полное удовлетворение потребностей в продуктах питания, сырье и получении дополнительных источников энергии при утилизации органических отходов животноводства и птицеводства возможно лишь благодаря ускорению научно-технического прогресса и переходу на интенсивные технологии.

Цель исследования: интенсификация процесса анаэробного сбраживания водного органического субстрата и получение научно обоснованных решений I по разработке технологии и оборудования с использованием высоковольтного импульсного разряда при производстве высококачественных органических удобрений и биогаза.

Научную новизну имеют:

- способ анаэробной переработки органических веществ водного органического субстрата куриного помета под воздействием высоковольтного импульсного разряда, техническое решение, которого защищено патентом;

- исследование основных закономерностей в кинетике процесса разложения органического субстрата по предлагаемой технологии, влияющих на характер продуктивности микроорганизмов, ответственных за переработку биоорганических отходов;

- метод диагностики трансмиссионно-резонансной КВЧ/СВЧ радиоспектроскопии высокого разрешения, позволяющий идентифицировать частоты собственных молекулярных колебаний в биологических и физических объектах; модель и теоретические аспекты электровзрывного разрушения водного субстрата, а также методика исследования структуры при активации процесса; явление фазового перехода органических составляющих водного органического субстрата куриного помета; разработка источника высоковольтного импульсного разряда, а также разрядника обеспечивающего автономную обработку субстрата.

Практическая ценность работы. Разработана принципиально новая технология и комплекс устройств по переработке органических отходов, в частности птицеводства, при снижении топливно-энергетических затрат. Установлено повышение выхода биогаза с единицы поверхности сбраживаемого вещества при одновременном получении экологически чистых органических удобрений с улучшенными агрохимическими свойствами. Получен патент № 2207325 РФ на «Способ инициирования процесса анаэробного сбраживания». Основные положения, выносимые на защиту: способ и методика переработки биоорганических отходов в виде водного органического субстрата куриного помета при его анаэробном сбраживании путем введения предварительной высоковольтной импульсной обработки; комплекс экспериментальных и теоретических данных по изучению воздействия высокоимпульсной импульсной обработки на процесс анаэробного сбраживания; новое конструктивно-технологическое решение для осуществления обработки водного органического субстрата высоковольтным импульсным разрядом;

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и получили одобрение на следующих конференциях: научно-технических конференциях Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова (Саратов, СГАУ, 2001-2003 гг.); научно-практической конференции «Молодые ученые - Саратовской области» (Саратов, Поволжская академия государственной службы им. П.А. Столыпина, 14 мая 2002 г);

- научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 115-летию со дня рождения академика Н.И.Вавилова (Саратов, СГАУ им. Н.И. Вавилова, 25-30 ноября 2003 г). Публикации. Основные результаты работы изложены в 8 печатных работах, в том числе материалах конференций 2. Общий объем публикаций составляет 1 п.л., из которых 0,7 п.л. автору принадлежит лично.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан способ инициирования анаэробного процесса сбраживания органических веществ (патент № 2207325 РФ) с использованием высоковольтного импульсного разряда.

2. Предложена математическая модель процесса обработки водного органического субстрата позволившая: установить явление фазового перехода органических частиц в водной среде за счет перераспределения электрических полей, которые скачком изменяют такие термодинамические характеристики веществ, как плотность, концентрацию компонентов и теплоту перехода;

- смоделировать процесс течения хода реакции анаэробного сбраживания и предложить механизм кинетики разложения веществ составляющих водный органический субстрат.

3. Разработаны методы и технические средства, позволяющие перестраивать структуру воды и водного органического субстрата, создавать новые активные центры, изменяющие соотношения скоростей отдельных стадий сложной каталитической реакции и влияющие на процесс роста анаэробных микроорганизмов.

4. Разработаны оптимальные технологические режимы высоковольтной импульсной обработки в процессе анаэробного сбраживания, которые при рабочем напряжении 10 кВ соответствуют 5.7 импульсам в зависимости от требований активации процесса и уровня дегельминтизации.

5. Установлена возможность изменения концентрации водородных ионов рН.

6. Установлено, что под действием высоковольтной импульсной обработки изменяются параметры молекул воды, в частности их диаметр, а также происходит увеличение площади микроповерхностей органического вещества за счет внутреннего расслоения структуры.

7. Производственные испытания показали, что степень разложения органического вещества в результате анаэробного сбраживания на 8. 18% увеличивается. Гранулометрический состав распределяется следующим образом: содержание частиц крупной фракции органики >10 мм, полученной по промышленной технологии, составляет 23%, а по предлагаемой — 8%, содержание мелкой фракции < 2 мм, соответственно 22,3% и 35,5%. В органическом субстрате происходит увеличение концентрации аммиачной формы азота (до 27,0.29,5%) и дегельминтизации куриного помета (до 50.65 %).

8. Использование разработанного оборудования и предлагаемого способа инициирования процесса анаэробного сбраживания позволяет на 17,3%, снизить себестоимость 1 т органического удобрения, в 1,2 раза повысить производительность биогазовой установки за счет сокращения времени технологического цикла. Экономический эффект от использования предлагаемого способа составит 24 550 руб. год. Расчетный срок окупаемости капитальных вложений — 1,7 года.

139

1. ЮткинЛ.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. JI.: Машиностроение, 1986. 253 с.

2. A.C. 225799 СССР, МКИ C02F 1/48.

3. A.C. 196632 СССР, МКИ C02F 1/48.

4. A.C. 275028 СССР, МКИ C12N 1/00; А23К 1/00.

5. A.C. 950217 СССР, МКИ А01С 3/00; C05F 3/06.

6. БаадерВ., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз теория и практика / Пер. с ' нем. и предисловие М.И. Серебряного. М.: Колос, 1982. 148 с.

7. Форстер К. Ф., ВейзДж. Д.А. Экологическая биотехнология / Пер. с англ. Д.А. Дымшица. JI.: Химия, 1990. 375 с.

8. Промышленная микробиология / Под общей ред. Н.С. Егорова. М.: Высшая школа, 1989. 686 с.

9. Пат. 2085519 РФ, МКИ С 02F 11/00.

10. A.C. 1699961 СССР, МКИ С 02F 3/28, 11/04.

11. A.C. 1699962 СССР, МКИ C02F 3/28, 11/04

12. A.C. 1673539 СССР, МКИ С 02F 11/04.

13. Кирюшатов А.И. Использование нетрадиционных возобновляющихся источников энергии в сельскохозяйственном производстве. М.: Агро-промиздат, 1991. 96 с.

14. Шифрин С.М., Иванов Г.В., Мишуков Б.Г., Феофанов Ю.А. Очистка сточных вод предприятий мясной и молочной промышленности. М: Легкая и пищевая промышленность, 1981, 272 с.

15. Мишустин E.H. Термофильные микроорганизмы в природе и практике. М: Изд-во АН СССР, 1950. 391 с.

16. Логинова Л.Г., Головачева P.C., Головина И.Г. и др. Современные представления о термофилии микроорганизмов. М.: Наука, 1973. 275 с.

17. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология // Новое в жизни, науке, технике. Сер. Биология. М.: Знание, 1985. №5. 64 с.

18. Энергетика и сельское хозяйство // Наука сегодня. М.: Знание, 1986. Вып. 14. С.161-167.

19. Мартын В.Д., Пацкалев А.Ф. Современные принципы утилизации навоза // Механизация и электрификация, 1990. №4. С.22-23.

20. Пангрсава Е.С. Техническая биоэнергетика // Новое в жизни, науке, технике. Сер. Техника. М.: Знание, 1990. №12. 64 с.

21. Бакулов И.А., Кокурин В.А., Котляров В.М. Обеззараживание навозных стоков в условиях промышленного животноводства. М.: Росагропромиз-дат, 1988. 125 с.

22. Чесноков Б.П., Спиридонова Е.В., Озерский В.М., Кирюшатов А.И. Установка высоковольтного импульсного разряда // Повышение эффективности процессов механизации и электрификации в АПК: Сбор. науч. работ / Сарат. гос агр. ун-т. Саратов, 2001. С.220-222.

23. Спиридонова Е.В. Электрический разряд как фактор инициирования ме-таногенеза // Повышение эффективности процессов механизации и электрификации в АПК: Сбор. науч. работ / Сарат. гос агр. ун-т. Саратов, 2001. С.193-195.

24. Пангрсава Е.С., Пожарное В.А. и др. Биогазовые технологии и решение проблем биомассы и «парникового эффекта» в России // Теплоэнергетика, 1999. №2. С.30-39.

25. Нагель Ю.А., Зарков O.A. и др. Электроимпульсное обеззараживание сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника, 1997. №6. С.26-27.

26. Пат. 2136600 РФ, МКИ С 02F 1/46, 7/00.

27. A.C. 1596752 СССР, МКИ С 12 N 1/16.

28. Некрасов В.Г. Технико-экономические показатели модульной биогазовой установки «Кобос» // Техника в сельском хозяйстве, 1990. №2. С.58-59.

29. Ясенецкий В.А., Таргоня B.C. Оборудование для получения биогаза из навоза //Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1990. №4. С.23-25.

30. Некрасов В.Г., Муратов В.И. перспективы использования биогаза на селе // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1990. №4. С.26-27.

31. Семененко И.В., Дзюба В.И. Защита биогазовых установок от коррозии // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1990. №1. С.38-39.

32. Долгов B.C. Гигиена уборки и утилизации навоза. М.: Россельхозиздат, 1984. 173 с.

33. Пангрсава Е.С., Кошкин H.J1Пожарное В.А. Биомасса — реальный источник коммерческих топлив и энергии. Ч. 1. Мировой опыт // теплоэнергетика, 2001. №2. С.21-25.

34. Логинова Л.Г. Анаэробные термофильные бактерии. М.: Наука, 1982. 100 с.

35. Логинова Л.Г., Головачева Р.С, Егорова Л.А. Жизнь микроорганизмов при высоких температурах. М.: Наука, 1966. 295 с.

36. Бортников И.И., Босенко A.M. Машины и аппараты микробиологических производств. Минск: Высшая школа, 1982. 288 с.

37. Дмитриева В.И., Никитин В.А., Полента В.А. Использование стоков животноводческих комплексов. М.: Россельхозиздат, 1977. 62 с.

38. Яворовский Н.А., Соколов В Д. и др. Очистка воды с применением электроразрядной обработки // Водоснабжение и санитарная техника, 2000. №1. С.12-14.

39. Сергеев И.И. Применение коронного разряда для инактивации микроорганизмов // Тез. докл. VI Всесоюзной научно-технической конференции «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья». Москва, 1989. С. 178.41