автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технология анаэробной переработки навоза крупного рогатого скота в накопительном режиме

На правах рукописи

Г

ВАСИЛЬЕВ Филипп Александрович

ТЕХНОЛОГИЯ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА В НАКОПИТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ДЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ

005005954

Улан-Удэ-2011

005005954

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Евтесв Виктор Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Худоногов Анатолий Михайлович

кандидат технических наук Петунов Сергей Васильевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Защита состоится «16 » декабря 20 И г. в 10°° на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.06 при ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления» (ВСГУТУ) по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в, ВСГУТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управляли

Автореферат разослан «%» /¿О-Р-С^РЦ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент

Б.Д. Цыдендоржиев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В сельскохозяйственном производстве Восточной Сибири существует проблема переработки навоза крупного рогатого скота малых ферм. Большинство крестьянских (фермерских) ферм КРС располагаются вблизи или внутри населенных пунктов, при этом системы переработки и хранения навоза отсутствуют. В результате территория вокруг подобных ферм становиться неблагоприятной для проживания, близлежащие водоемы загрязняются не только биогенными и органическими веществами, но и болезнетворными микроорганизмами.

С другой стороны навоз КРС является ценным органическим удобрением, способствует увеличению содержания гумуса, улучшает структуру и плодородие почв. Обладает энергетическим потенциалом, представленным в виде химических связей органического вещества. Поэтому разработка технологий переработки с максимальным извлечением, а так же рациональным использованием удобрительной и энергетической способности навоза КРС, с обеспечением экологической безопасности является актуальной задачей, имеющей научный и практический интерес.

В природно-климатических условиях Восточной Сибири перспективным является применение технологии анаэробной переработки навоза КРС в накопительном режиме. При этом получается биогаз - возобновляемый альтернативный источник энергии, и качественное органическое удобрение. Решаются проблемы обеспечения экологической безопасности - предотвращение загрязнения водоемов, почвы и посевов благодаря обеззараживанию, девитализации и дезодорации навоза.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Иркутской государственной сельскохозяйственной академии «Разработка энергосберегающих технологий и средств механизации сельскохозяйственных процессов» (тема 24К, регистрационный номер: 01.2.00900777).

Цель работы - обоснование и разработка технологии анаэробной переработки навоза крупного рогатого скота в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки для получения биогаза и органических удобрений в природно-климатических условиях Восточной Сибири.

На основе поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

- исследовать кинетику процесса анаэробного сбраживания в накопительном режиме;

- обосновать возможность естественного перемешивания субстрата;

- экспериментально исследовать процесс анаэробного сбраживания навоза КРС в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки и получить регрессионные модели основных оценочных параметров;

- разработать технологию анаэробной переработки навоза КРС в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки;

- определить агрономическую эффективность анаэробно сброженных органических удобрений (эффлюэнта);

- оценить экономическую эффективность технологии анаэробной переработки навоза КРС в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки.

Объектом исследования является технологический процесс анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота.

Предмет исследования - накопительный режим анаэробного сбраживания с дифференцированной дозой загрузки.

Научную новизну работы составляют:

- применение кинетических закономерностей для описания процесса анаэробного сбраживания в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки;

- модель функциональной зависимости мощности естественного перемешивания субстрата при анаэробном сбраживании.

Практическая ценность. Разработана накопительная технология анаэробной переработки навоза КРС с дифференцированной дозой загрузки для получения биогаза и качественных органических удобрений.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических исследований процесса анаэробного сбраживания навоза КРС в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки;

- результаты экспериментальных исследований процесса анаэробного сбраживания навоза КРС в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки и регрессионные уравнения основных оценочных параметров;

- результаты исследований по определению агрономической эффективности анаэробно сброженных органических удобрений.

Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены на: научно-практических семинарах ИрГСХА «Чтения И.П. Терских» (Иркутск, 2008 - 2011); научно-практической конференции молодых ученых Сибири и Дальнего Востока «Научные достижения производству» ИрГСХА (Иркутск, 2009, 2011); международной научно-практической конференции ИрГСХА «Рациональное природопользование и энергосберегающие технологии в агропромышленном комплексе» (Иркутск, 2009); конференции молодых ученных ИрГСХА «Инновационные технологии в АПК» (Иркутск, 2010); научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2010 -2011); первой всероссийской научно-технической конференции ИрГТУ «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (Иркутск, 2011); VI международной (заочной) научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные тенденции развития Российской науки» КрасГАУ (Красноярск, 2011); международной научно-практической конференции БГСХА «Инженерное обеспечение и технический сервис в АПК» (Улан-Удэ, 2011).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе из списка ВАК 4 работы.

Внедрение. Результаты исследований приняты к внедрению Министерством сельского хозяйства Иркутской области и внедрены на УНПУ «Молодежное» Иркутского района. Результаты научной разработки используются в учебном процессе на кафедре механизации сельскохозяйственных процессов и гидравлики Иркутской ГСХА.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц, 35 рисунков, список литературы из 131 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана ее краткая характеристика, определены цель и задачи исследований.

В первой главе рассмотрены методы и способы переработки навоза КРС для максимального использования заложенного природного потенциала, как удобрительного, так и энергетического в условиях Восточной Сибири. Проанализированы технологии анаэробной переработки. Проведен анализ технологий анаэробного сбраживания навоза скота, а так же рассмотрены вопросы моделирования метанового сбраживания.

Существует три метода переработки навоза КРС: физический, химический и биологический. Для производства качественных органических удобрений применяются различные способы компостирования и метангенерация, которые относятся к биологическому методу. Способы компостирования подразделяется на традиционное компостирование, биокомпостирование, вермикомпостирование, зоокомпостирование. Способы характеризуются большими потерями удобрительной способности получаемых удобрений, продолжительностью переработки во времени и как следствие, низкой производительностью. Метангенерация представляет собой анаэробную переработку навоза КРС с получением биогаза - локального газообразного источника энергии и сброженного навоза (эффлюента) -качественных органических удобрений. Потери удобрительной способности при этом минимальны (до 5 %), органические вещества навоза минерализуются, тем самым повышается их способность к усвоению растениями. В условиях Восточной Сибири не возможно эффективное внесение удобрений в зимний период, поэтому возникает потребность не только в переработке навоза КРС, но и его хранении в холодный стойловый период. Этому условию удовлетворяет накопительный режим технологии анаэробной переработки. В данной технологии весь субстрат аккумулируется в метантенке до периода возможности эффективного применения эффлюента в земледелии.

Современные научные основы анаэробного сбраживания отражены в работах: Андрюхина Т.Я., Бекера М.Е., Варфоломеева С.Д., Виестура У.Э., Гюнтер Л.И., Дубровского B.C., Евтеева В.К., Келова К.К., Ковалева A.A., Калюжного C.B., Марченко В.И., Мовсесова Г.Е., Панцхавы Е.С., Просвирнина В.Ю., Пузан-кова А.Г., Унгуряну Д.В., Янко В.Г. и других ученых.

В результате обзора широкого спектра работ ученых составлена классификация технологий анаэробного сбраживания. В результате для реализации технологии в условиях Восточной Сибири выбран наименее энергозатратный температурный режим - психрофильный.

Моделирование процесса анаэробного сбраживания возможно с помощью кинетических уравнений роста числа микроорганизмов и потребления субстрата. Данные кинетические модели описывают процесс с биохимической стороны. В основе кинетических моделей лежит уравнение Моно или его модификации. С помощью их возможно выявление нестабильностей и срывов процесса, а так же поиск путей интенсификации. Но модели носят аналитический характер, перевод их на реальный процесс сложен и затруднителен. Другой подход лежит в основе регрессионных моделей. Они выявляют связи воздействующих факторов на выходные параметры процесса, их величину и значимость влияния. Константы модели не обладают выраженным биологическим смыслом. Имеются модели прогнозирующие выход биогаза на основе химического состава субстрата, они выявляют величину возможной деструкции. Для применения таких моделей необходимо проведение химических анализов навоза, что достаточно затруднительно. Из проведенного анализа можно заключить, что рациональным является применение кинетических закономерностей для теоретического выявления путей интенсификации процесса анаэробного сбраживания в накопительном режиме. Дальнейшие экспериментальные исследования следует проводить, применяя регрессионный анализ, с целью определения рациональных технологических параметров процесса.

Во второй главе рассмотрена кинетика процесса анаэробного сбраживания в накопительном режиме, обоснована возможность естественного перемешивания.

При рассмотрении биореактора в накопительном режиме сбраживания в

виде закрытой системы, кинетическая кривая роста количества микробной популяции имеет сложный характер (рис. 1). В закрытых системах культивирования скорость роста биомассы стремится к нулю из-за исчерпания питательной способности субстрата, накопления продуктов метаболизма (продуктов жизнедеятельности) и ингибиторов. Такие системы всегда находятся в неустойчивом состоянии, из-за непрерывного изменения условий в культуральной среде.

Прирост числа микробных клеток в системе выражается известным дифференциальным уравнением:

Рисунок 1 - Кинетическая кривая роста числа микробных клеток: 1 - лаг-фаза (фаза приспособления или фаза отсутствия роста); 2 - фаза экспоненциального роста (фаза логарифмического роста или лог-фаза); 3 - фаза линейного роста; 4 - фаза замедления роста; 5 - стационарная фаза; б - фаза отмирания культуры (микроорганизмов).

dX

ИГ''*' (1)

где X - концентрация микроорганизмов в биореакторе, кг/м3; г- время сбраживания, сут; /л- удельная скорость роста числа микроорганизмов, сут"1.

Удельная скорость роста числа микроорганизмов равна единице массе клеток, образуемых на единицу массы имеющихся клеток в единицу времени. Описывается уравнением Моно:

H=HmaXl¿-s, (2)

где цтах - максимальная удельная скорость роста микроорганизмов, достижимая при бесконечной концентрации субстрата, сут"1; 5 - концентрация лимитирующего субстрата, кг/м3; Ks - константа полунасыщения (сродства субстрата к микроорганизму), равная концентрации субстрата, при которой удельная скорость роста равна половине максимальной, является характерной для субстрата, кг/м3.

Рост количества микроорганизмов при накопительном режиме сбраживания, в начальный период, после адаптации возрастает по экспоненциальному закону (фаза 2, рис. 1). Но, со временем при загрузке фиксированной дозы в биореакторе возникает недостаток органического вещества для питания микробной популяции. Загрузка фиксированной дозы свежего субстрата тормозит адаптацию микроорганизмов в начальный период (загружается слишком много), а в конце периода заполнения биореактора тормозит процесс недостатком питания для всех бактерий. По виду кривой (рис. 1) можно понять характер развития процесса анаэробного сбраживания в закрытых системах, для стабильного роста количества бактерий необходимо организовать подачу субстрата по виду экспоненциальной кривой, в соответствии с развитием биомассы. Так при постоянно увеличивающейся массе дозы загрузки, с течением времени в биореакторе не изменятся концентрации микроорганизмов и питательного органического вещества. Если разделить период сбраживания на п циклов, число которых равно количеству загрузок в биореактор порций субстрата, то изменение концентраций будет происходить только в течение цикла. В результате организации такой загрузки субстрата функция концентрации микроорганизмов станет гармонической (рис. 2). Так как продолжительность цикла величина небольшая, равная одним суткам, то кинетическая кривая роста микроорганизмов прерывается на экспоненциальной или линейной фазах. Концентрация микробных клеток в течение цикла сбраживания определяется интегрированием уравнения (1), с начальным условием /„ = 0:

Хк = Хн-ем', (3)

гДе Хк - концентрация анаэробных микробных клеток в конце цикла, кг/м3; Хн - концентрация анаэробных микробных клеток в начале цикла, кг/м3.

Полученное уравнение описывает изменение концентрации микроорганизмов в течение цикла, представляет собой экспоненциальную функцию и при больших значениях t будет близко к линейной функции, что согласуется с представлениями о кинетике процесса сбраживания.

Рисунок 2 - Гармоническая функция концентрации микроорганизмов в накопительном режиме сбраживания с дифференцированной дозой загрузки субстрата: Хн - концентрация микроорганизмов в начале цикла; Хк - концентрация микроорганизмов в конце цикла; т - продолжительность цикла; /„ -время начала цикла; Г„ - время окончания цикла.

При нахождении определенного интеграла уравнения (1) для установившегося накопительного режима сбраживания, с пределами интегрирования при /„, Хн и при (к, Хк, принимая удельную скорость постоянной величиной и выражая концентрации через дозу загрузки, получим зависимость: , 100 _

(4)

100-Д

где Б - дифференцированная доза загрузки, %; г - продолжительность цикла, сут. Полученное уравнение справедливо только для установившегося режима сбраживания и позволяет устанавливать численное значение удельной скорости роста числа микроорганизмов.

Для создания стационарных условий в культуральной среде необходимо загружать постоянно увеличивающийся объем свежего субстрата, такую загрузку назовем дифференцированной. Объем дифференцированной дозы загрузки (у"Щ]) вычисляется относительно сбраживаемого объема для каждого цикла п, но доза (£)) в процентном отношении объемов загрузки и сбраживания остается неизменной:

У'ша = V,,

(5)

началь-

О Г, £>

где У%и - объем дифференцированной дозы загрузки в п цикл, м3; уп ный объем инокулята (затравка) в биореакторе, м3.

Количество выделяемого биогаза можно представить в виде удельной величины к объему сбраживаемого субстрата:

Р-^, (6)

У п

где р -удельный выход биогаза, кг/м3; &т„- масса продуктов (биогаза), образуемого в результате жизнедеятельности микробных клеток с объема у„, кг; у„-объем сбраживаемой жидкости в п цикл, м3.

На основе уравнения (6) и рассматривая материальные потоки в системе (концентрации субстрата и биомассы, массы органического вещества и продуктов метаболизма), выведены следующие уравнения удельного выхода биогаза:

Р = Рс - С • о • (100 - Ю(\ 00 - 2) ■ 1 о"8, (7)

или ^ = &-Сг-£>-10~\ (8)

где рс — плотность загружаемого субстрата, кг/м ; в - степень разложения органического вещества, %; IV- влажность загружаемого субстрата, %; 2- зольность загружаемого субстрата, %; ^-концентрация органического вещества в исходном загружаемом субстрате, кг/м3.

В своей сущности уравнения (7 и 8) являются следствием закона сохранения энергии и массы. Масса органического вещества при окончании цикла будет равна массе поступившей в биореактор за вычетом продуктов метаболизма и массы прироста бактерий.

В результате жизнедеятельности микробная клетка выделяет конкретное количество продуктов, так с единицы массы микроорганизмов можно получить определенное количество продуктов жизнедеятельности. Следовательно, удельный выход биогаза (Р) в системе так же можно выразить дифференциальным уравнением:

§ = (9)

т

где у- константа, равная массе продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, получаемых с единицы массы микробных клеток в единицу времени, является характерной для симбиоза анаэробных микроорганизмов, с"1.

Удельный выход биогаза в течение цикла определяется путем интегрирования выражения (9), с начальными условиями /я = 0, р„ = 0:

Р = 1). (Ю)

Графическая интерпретация данной зависимости в течение определенного цикла будет в виде гармонической функции (рис. 3 «а»), но суммарный выход биогаза будет иметь экспоненциальную зависимость (рис. 3 «б»).

Рисунок 3 - Графическая зависимость выхода биогаза, как продукта обмена: а-выход биогаза, в течение цикла сбраживания отнесенный к единице объема биомассы; б - суммарный выход биогаза.

а) б)

Рассматривая баланс энергии разложившегося органического вещества можно составить уравнение:

ЭРазд.орг.в. ~ Эбиог Э&иам Эпотерь »

(11)

где ЭРажоргж - энергия разложившегося органического вещества, Дж; Эбиог- энергия биогаза, Дж; Эбиом. - энергия биомассы микроорганизмов, Дж; Э„отерь - энергия потерь в окружающую среду, Дж.

Известно, что энергия разложившегося органического вещества на 80-90 % переходит в энергию биогаза, остальная энергия потребляется биомассой микроорганизмов. Но, любые процессы в природе не обходятся без потерь, обязательно происходит диссипация энергии.

Одними из потерь энергии будут затраты на выделение и движение биогазовых пузырей. Механическая энергия движения пузыря будет тратиться на преодоление сопротивления со стороны субстрата. В результате этого энергия движения пузыря передается субстрату, что вызывает локальное возмущение и конвективный перенос масс в жидкости. Данное явление называется естественным перемешиванием. В конечном итоге энергия механического движения перейдет в тепловую. Но, так как это очень малые величины, их невозможно ощутить.

Главной характеристикой любого процесса перемешивания является затрачиваемая мощность. Известно, что мощность определяется произведением скорости перемещения на приложенную к нему силу.

Для определения движущей силы необходимо рассмотреть все силы, действующие на биогазовый пузырь (рис. 4). Уравнение баланса сил, с учетом их направления и принципа Даламбера запишется в следующем виде:

Рл-Рс-Р^Рм-в =0, (12)

где рА - сила Архимеда, Н; ^с - сила сопротивления субстрата перемещению пузыря, Н;

- сила инерции биогазового пузыря с учетом присоединенной массы, Н; ри - сила Мещерского, Н; С - вес биогазо-Рисунок 4 - Движение биогазового пузыря ВОГО пузыря, Н.

Расписав составляющие сил, получим:

Яс1е ¿Ип РсУгп<1уп

УгпёРс-Сх ■

¥ип\

РсйУп 2 Л

о, (13)

где Угп - объем биогазового пузыря, м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; рс - плотность субстрата, кг/мэ; с. - коэффициент лобового сопротивления; Оп -скорость движения пузыря, м/с; ¿4 - эквивалентный диаметр пузыря, м; т г - мас-

са газа в пузыре, кг;

1 и II

Л

ускорение пузыря, м/с2; ц/ - коэффициент реактивно-

сти, обусловленный характером изменения массы пузыря по его поверхности.

са газа в пузыре, кг; - ускорение пузыря, м/с"*; у/ - коэффициент реактивности, обусловленный характером изменения массы пузыря по его поверхности.

Система функциональных зависимостей сил будет выглядеть следующим

образом:

Г Рл = Угп = Дк,„ ,рс) = №,ТЛ,Кг,р0,К)

^ + (14)

V с = «1-е = /Сиг) = №,Т,К,Кг,р»Ь)

где влажность субстрата, %; Т- абсолютная температура сбраживания, К; К - химический состав субстрата; химический состав биогаза; р0 - давление на свободную поверхность субстрата, Па; И - высота слоя субстрата от миделевого сечения пузыря до свободной поверхности, м.

Все силы зависят от определенного набора параметров, определяющих физико-химические свойства среды, а так же от скорости и ускорения биогазового пузыря.

Решая уравнение баланса сил (13) относительно ускорения биогазового

пузыря получим: Л

(15)

17 „п г ,„ (рс<1Ут\

^ УтЫ-С, — — |-те

Л т

где т - полная масса движущегося биогазового пузыря, кг. В функциональном виде ускорение биогазового пузыря выразится как

^■ = /<Г,Т,К,Кг,Рв,Н). (16)

Из уравнения (15) выразим скорость движения биогазового пузыря в данный момент времени (без учета изменения массы):

„ = 2,315 I , ^ 7^1-4 (17)

где ст - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; р, - плотность биогаза, кг/м3.

Уравнение (17) в виде функции выражается как:

ип = /ОГ,Т,К,КпР0М. (18)

Из уравнений (14), (16) и (18) видно, что силы, действующие на биогазовый пузырь, ускорение пузыря и его скорость зависят от определенного набора параметров. Следовательно, и мощность перемешивания будет зависеть от этих же параметров

Ы = №,Т,К,К,,Р„Ю. (19)

При установившемся процессе анаэробного метанового сбраживания такие параметры как влажность субстрата (IV), температура сбраживания (Г), химический состав субстрата (К), химический состав биогаза (Кг), давление на свободную поверхность (ро) относительно постоянные величины. В процессе выделения и последующего движения биогазового пузыря изменяется лишь высота Ъ. Поэтому и мощность на перемешивание тем больше, чем больше перемещение пузыря, то есть высота А.

В третьей главе приведена методика проведения экспериментальных исследований. Целью экспериментальных исследований являлось подтверждение ранее проведенных теоретических исследований по кинетике процесса анаэробного сбраживания и обоснованию естественного перемешивания, а так же оценка агрономической эффективности анаэробно сброженных органических удобрений.

Исследования по анаэробному сбраживанию велись в три основных этапа: 1 - поисковые опыты; 2 - основной эксперимент; 3 - математическая обработка результатов экспериментальных исследований.

На первом этапе в проточном режиме получили культуру анаэробных бактерий адаптированных к психрофильным условиям (/ = 25 °С). В накопительном режиме анаэробного сбраживания существует два типа загрузки биореактора, с предварительным уровнем инокулята (затравка) в биореакторе и без предварительной затравки, но с инокулированием каждой дозы загрузки. Для исследования данных типов загрузки было проведено два опыта.

Основные экспериментальные исследования по анаэробному сбраживанию с дифференцированной дозой загрузки проводились с использованием предварительного уровня затравки.

Приняты следующие оценочные показатели: выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора (РОБ) - С>1, м3/м3роб (характеризует объемную количественную сторону процесса, позволяет оценить скорость обработки субстрата); выход биогаза с единицы загружаемого абсолютно сухого органического вещества (АСОВ) - СЬ, м3/кгАсов (характеризует объемную качественную сторону процесса, указывает на качество обработки субстрата); энерговыделение - С!з, Дж/м3р0Б (выделение энергии с единицы рабочего объема биореактора, характеризует энергетическую количественную сторону процесса, т.к. отражает эффективность работы единицы рабочего объема биореактора); энергоотдача - СЬ, Дж/кгАсов (выражает выделение энергии с единицы массы абсолютно сухого органического вещества загруженного в биореактор, характеризует качественную энергетическую сторону процесса анаэробного сбраживания).

На основании теоретических исследований и ранжирования факторов приняты два основных фактора: дифференцированная доза загрузки (Х^ (объем загружаемой органической массы, приходящийся на объем бродящей жидкости в биореакторе - Д от 2,5 до 7,5 %) и способ загрузки (Х2). Способ загрузки субстрата представляет собой качественный технологический фактор, который поможет определить возможности и эффективность естественного перемешивания. Способов два, первый - загрузка с возбуждением, субстрат подается в сбражи-

ваемый объем через патрубок в дне реактора, производя тем самым перемешивание, равномерно распределяя питательные вещества и потенциальные ингибиторы процесса. Повышается отвод продуктов метаболизма, обеспечивается равномерное температурное поле по всему объему сбраживания. Второй способ -обычная загрузка, без перемешивания, осуществляется через патрубок в крышке биореактора, при этом достигается минимальное возбуждение сбраживаемого субстрата. Фактор дозы загрузки представляет особый интерес, поэтому его варьировали на трех уровнях: минимальном, нулевом и максимальном (-1; 0; +1); фактор способа загрузки варьировали на двух уровнях: минимальном и максимальном (-1; +1),

Лабораторная установка состояла из специально изготовленного шкафа-термостата с циркуляцией подогретого воздуха, в котором помещались биореакторы (рис. 5).

Рисунок 5 — Принципиальная схема экспериментальной биоэнергетической установки: 1 - загрузочный патрубок; 2 - газовый патрубок; 3 - газовый счетчик ГСБ-400; 4 - дифференциальный манометр; 5 - газовал горелка; 6 - газгольдер мокрого типа; 7 - водяной затвор; 8 - выгрузной патрубок; 9 - биореактор; 10 - крышка.

Анализы на определение влажности и зольности подготовленного нативно-го (свежего) навоза, эффлюента проводились по общепринятым методикам с использованием соответствующего лабораторного оборудования. Для определения качественного состава биогаза применялся газоанализатор AMT - 03. Газоанализатором определяли концентрацию метана (погрешность ±3 %).

На третьем этапе была проведена математическая обработка результатов экспериментальных исследований с применением ЭВМ и программы S ATI STIC А 6.0, получены регрессионные уравнения технологических и энергетических параметров анаэробного сбраживания.

Определение агрономической эффективности жидких анаэробно сброженных органических удобрений (АСОУ) проводилось в следующей последовательности: 1) определение химического состава нативного и сброженного навоза КРС; 2) определение нитрификационной способности полученных удобрений; 3) проведение полевого опыта.

Определение химического состава анаэробно сброженных органических удобрений и нативного навоза КРС проводились по общепринятой методике

(ГОСТ 26716-85). Изучение нитрификационной способности полученных удобрений и нативного навоза КРС проводились по методике Кравкова. Для определения агрономической эффективности в полевых условиях был спланирован и проведен опыт.

В четвертой главе проведен анализ результатов экспериментальных исследований.

На первом этапе экспериментальных исследований определен наиболее продуктивный тип загрузки в накопительном режиме анаэробного сбраживания по выходу биогаза. Результаты опытов представлены на рисунке 6.

к О

У ■<

г

с.

г

|«г

|8 Л1 *<

О У

L. <

0 Ь.

1 X X

Qi « |г

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 а) Заполнение биореактора, % Опыт №1 Hfr-Опыт №2

1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

В)

л

ff

S.

Л Л

и Г

г" —M

б)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Заполнение биореактора, % -в-Опыт №1 -«-Опыт №2

Рисунок 6 - Результаты поисковых опытов; а - изменение выхода биогаза с РОБ при заполнении биореактора; б - изменение выхода биогаза с загруженного АСОВ при заполнении биореактора,' в - интенсивность загрузки АСОВ в биореактор.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Заполнение биореактора, % Н>-Опыт№1 -В-Опыт №2

Опыт №1 соответствует типу загрузки с инокулированием каждой дозы загрузки, опыт №2 - типу с первоначальным уровнем инокулята (затравки) в биореакторе. Кривая удельного выхода биогаза в первом опыте идет с начала координат, так как загрузка начиналась с порожнего объема биореактора, во втором опыте имелся первоначальный уровень инокулята - 18 % рабочего объема биореактора (рис. 6 а). Наклон кривых к оси абсцисс характеризует скорость удельного выхода биогаза по степени заполнения биореактора, поэтому можно утверждать, что интенсивность газовыделения во втором опыте выше. Сравнение кривых выхода биогаза с единицы загруженного абсолютно сухого органического вещества (АСОВ) представлено на рисунке 6 (б). Из графика видно, что в опытах нет суще-

ших условий для жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов. Одним из основных факторов для нормальной жизнедеятельности является поступление питательного субстрата. В данных опытах интенсивность загрузки субстрата неодинакова (рис. 6, в), во втором опыте она выше. Именно данный фактор повлиял на значения оценочных параметров.

В результате анализа поисковых опытов сделаны выводы: динамика суточного выхода биогаза в накопительном режиме (в автореф. не приводится) идентична с видом кинетической кривой роста (рис. 1), что подтверждает справедливость основ теоретических предпосылок; наиболее производительным по выходу биогаза является загрузка с предварительным уровнем инокулята (затравки) в биореакторе. Выявлено, что наибольшее влияние на оценочные параметры имеет доза загрузки АСОВ.

Результаты основных опытов представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Результаты опытов в накопительном режиме с дифференцированной дозой за_грузки_

Показатели Номер опыта

1 2 3 4 5 6

Дифференцированная доза загрузки (Х0, % 7,5 5 2,5 7,5 5 2,5

Способ загрузки (Хг) Возб. Обыч. Возб. Обыч. Возб. Обыч.

Продолжительность заполнения рабочего объема биореактора, сут 24 36 70 24 36 70

Влажность загружаемого субстрата, % 90 90 90 90 90 90

Зольность загружаемого субстрата, % 17,4 17,4 17,4 17,4 17,4 17,4

Масса загруженного АСОВ, кг 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222

Суммарный выход биогаза по окончании загрузки (за период накопления), м3 0,147 0,209 0,283 0,111 0,219 0,285

Суммарный выход биогаза за период накопления и хранения, м3 0,438 0,482 0,463 0,376 0,507 0,476

Качество биогаза, % СН4 52 53,5 55,7 51 54 56,8

Влажность эффлюента, % 93,9 93,4 93,86 93,6 93,9 94,0

Зольность эффлюента, % 27,3 27,9 25,7 27,2 27,9 25,3

Степень разложения органического вещества, % 46,3 42,4 44,8 43,6 46,8 45,7

С повышением дифференцированной дозы загрузки интенсивность заполнения биореактора возрастает. В результате при дозе в 7,5 % биореактор заполняется за 24 сутки, а при дозе 2,5 % за 70 суток. Поэтому и выход биогаза по окончании загрузки в опытах с малой дозой выше, но суммарный выход биогаза за все время сбраживания примерно одинаков. Это объясняется равным по массе поступлением в биореакторы органического вещества. Степень разложения органического вещества по опытам примерно одинакова и в среднем составила 44,9 %. Качество биогаза было примерно одинаковым во всех вариантах опыта и в среднем содержание метана равнялось 53,8 %. Максимальный выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора при достижении полного объема равен 15,85

м3/м3роб- Данное значение получено в опыте № 6, при дозе 2,5 % и обычном способе загрузки.

Для более детального исследования процесса анаэробного сбраживания в накопительном режиме было выбрано три контрольные точки. Так в каждом опыте подсчитывался суммарный выход биогаза для расчета оценочных параметров при достижении сбраживаемой жидкости в биореакторе 33 %, 66,6 % и 100 % рабочего объема.

В результате обработки данных контрольных точек на ЭВМ методом множественной регрессии в программе ЗТАТКТЮА 6.0, получены регрессионные уравнения оценочных параметров вида:

(3;=Ь0+Ь1Х1+Ь2Х2+ Ь)2Х1Х2 +ЬцХ1 2+Ь22х22. (20)

Так для выхода биогаза с единицы рабочего объема биореактора при 33 % заполнения уравнение регрессии выглядит следующим образом:

(31=3,53-0,27Х,+0,15Х2. (21)

Адекватность полученных уравнений проверяли с использованием критерия Фишера. По результатам проверки уравнения признаны адекватными. Значимость коэффициента оценивали по ^критерию Стыодента. Уровень значимости всех критериев - 0.05.

Коэффициенты регрессионных уравнений для оценочных параметров приведены в таблице 2. Значения коэффициентов модели представлены в натуральных величинах.

Таблица 2 - Значения коэффициентов регрессионных уравнений

Название оценочного параметра уравнения Процент заполнения РОБ Ь0 ь. Ь2

Выход биогаза с единицы РОБ, 01 33% 3,53 -0,27 0,15

Выход биогаза с единицы загруженного АСОВ, 02 0,26 -0,019 -

Энерговыделение, Оз 44,36 -4,09 -

Энергоотдача, 04 3,32 -0,3 -

Выход биогаза с единицы РОБ, 66,7% 11,75 -1,06 -

Выход биогаза с единицы загруженного АСОВ, СЬ 0,28 -0,023 -

Энерговыделение, СЬ 202,82 -19,83 -

Энергоотдаяа, (З4 4,81 -0,45. -

Выход биогаза с единицы РОБ, 100% 20,23 -1,72 -

Выход биогаза с единицы загруженного АСОВ, СЬ 0,29 -0,023 -

Энерговыделение, (}з 382,32 -34,54 -

Энергоотдача, О4 5,42 -0,47 -

В регрессионных уравнениях (см. таблицу 2) решающее значение в определении оценочных показателей принадлежит фактору Х1 - дифференцированной дозе загрузки. Коэффициенты регрессии при ДДЗ имеют отрицательный знак во всех уравнениях. Это означает, что с повышением дозы выход биогаза с рабочего объема и с единицы загружаемого сухого органического вещества, энерговыделение и энергоотдача снижаются. Данное явление объясняется тем, что при по-

дозе загрузки. Коэффициенты регрессии при ДЦЗ имеют отрицательный знак во всех уравнениях. Это означает, что с повышением дозы выход биогаза с рабочего объема и с единицы загружаемого сухого органического вещества, энерговыделение и энергоотдача снижаются. Данное явление объясняется тем, что при повышении дозы возрастает интенсивность загрузки, т.е. в биореактор поступает большее количество субстрата на обработку. Происходит интенсивное заполнение рабочего объема биореактора, тем самым сокращается время на обработку единицы загруженной органической массы. В результате снижается степень разложения органического вещества субстрата. Так как используется накопительный режим, оценочные факторы рассчитывались по суммарному значению в соответствующих контрольных точках. Для дозы 7,5 % биореактор заполнился на 33 % за 9 суток, а при дозе 2,5 % за 26 суток. Получается двойное действие фактора ДДЗ, во-первых, изменение объема загрузки, во-вторых, изменение времени выдержки (заполнения). Но и чрезмерное понижение дифференцированной дозы загрузки может привести к обратному эффекту, слишком вялому течению процесса анаэробного сбраживания. Загружаемой дозы может не хватать для нормальной жизнедеятельности всей микробной популяции, возникнет торможение процесса сбраживания недостатком питательных веществ. В большинстве моделей второй коэффициент Х2 незначим, что говорит о несущественном возбуждении, которое создается соответствующим способом загрузки. Лишь на начальном этапе заполнения биореактора способ загрузки влияет на выход биогаза с РОБ. С заполнением биореактора на 66,7 % воздействие способа загрузки на выход биогаза с единицы рабочего объема становиться статистически не значимым, объясняется данное явление присутствием в сбраживаемом объеме процесса естественного перемешивания. Он возникает в результате выделения, роста и последующего подъема пузырьков биогаза на поверхность, что создает возмущение в сбраживаемом субстрате. Из теоретического анализа известно, что возмущение субстрата возрастает с увеличением пути движения (глубины погружения) газового пузырька и влажности субстрата. Так при определенном объеме сбраживания и стабильном протекании процесса анаэробной деструкции выделяющихся пузырьков биогаза достаточно для создания естественного перемешивания. При этом большое значение имеет выбранная влажность загружаемого субстрата. В эксперименте на начальном этапе заполнения биореактора фактор способа загрузки значим потому, что недостаточен путь движения пузырьков для создания должного возмущения. Но, уже с заполнением объема свыше 33 %, высоты жидкости достаточно для создания естественного пузырькового перемешивания.

Накопительный режим предусматривает не только накопление рабочего объема биореактора, но и определенную выдержку после заполнения. Уравнения в таблице 2 охватывают лишь процесс заполнения биореактора, и не характеризуют зависимости параметров во всем временном интервале сбраживания. Поэтому поверхности на рисунке 7 объективнее отражают реальную картину, дают возможность в целом оценить накопительный режим.

Из рисунка 7 видно, что с течением времени значения оценочных параметров выравниваются. Это указывает на качество проведения опытов, в биореакторы загружено одинаковые количества органического вещества. В тоже время по-

верхности имеют незначительный оптимум при значении дифференцированной дозы загрузки равном 5 %. При данном значении дозы получены наилучшие значения оценочных параметров.

Рисунок 7 - Поверхности оценочных параметров по продолжительности сбраживания: а - выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора; б - выход биогаза с единицы загруженного абсолютно сухого органического вещества; в - энерговыделение; г - энергоотдача.

В таблице 3 приведены результаты анализов химического состава нативного навоза КРС и анаэробно сброженного.

Таблица 3 - Химический состав нативного и анаэробно сброженного навоза КРС

Варианты Влажность, % Сухое вещество, % В том числе н % N-N11,, % Р2О5, %

органич. в-во,% зола, %

Нативный 85,5 13,5 90,3 9,7 0,33 0,044 0,10

Сброженный в проточном режиме 91,3 8,7 86,0 14,0 0,44 0,120 0,13

Сброженный в накопительном режиме 93,75 6,25 74,42 25,58 0,44 0,373 -

В процессе анаэробного сбраживания часть органического вещества разложилось в результате жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов. В силу

изменения содержания органического вещества, концентрация азота увеличивается. Причем азот разложившегося органического вещества переходит в аммиачную форму, более доступную для растений. Произошла минерализация биогенных элементов. Содержание фосфора и калия в процессе анаэробного сбраживания практически не изменяется.

Основным биогенным элементом, определяющим эффективность органических удобрений, является азот. При внесении органических удобрений в почву азот удобрений подвергается двум процессам: мобилизации - переходу азота органического в минеральные формы до нитратов и иммобилизации - связывании минерального азота и переход его в органические формы состава тел микроорганизмов. И если в начальный период внесения иммобилизация идет активнее, чем мобилизация, то ухудшается обеспеченность доступным азотом в первые месяцы после внесения органического удобрения и возникает необходимость во внесении дополнительно минеральных удобрений.

Изучение нитрификационной способности (по Кравкову) жидкого нативно-го навоза КРС и АСОУ показало на некоторое увеличение нитратного азота в почве после двухнедельного компостирования. Причем более интенсивно мобилизация идет при внесении АСОУ. Следовательно, этот ход процессов уже с момента внесения данных органических удобрений в почву несколько улучшает азотное питание растений. Поэтому внесение АСОУ в почву возможно вразлич-ные сроки, в том числе непосредственно перед посевом.

Результаты полевых опытов представлены в таблице 4.

Таблица 4- Результаты полевого опыта

Варианты опыта Средний урожай по вариантам, т/га Прибавка,

т/га %

1. Контроль - без удобрений 2,32 0 0

2. ад, 2,51 0,19 8,1

3. Навоз жидкий, свежий, 30 т/га 2,57 0,25 10,8

4. Навоз жидкий, сброженный (АСОУ), 30 т/га 2,75 0,43 18,5

НСР95 0,38 14,99

При сравнительной оценке влияния удобрений на урожай выявлено, что анаэробно сброженнный навоз КРС по эффективности существенно превзошел другие виды удобрений. Так применение данного вида удобрения повысило урожайность на 0,43 т/га или на 18,5 % по сравнению с контролем. Причем влияние его оказалось единственно существенным при проведении статистической обработки. Ошибка опыта составила 0,12 т/га или 4,69 %. Приведенные данные опытов свидетельствуют о действительной удобрительной эффективности анаэробно сброженных органических удобрений. Результаты по определению засоренности посевов не выявили значительных расхождений среди вариантов. Сказалась обработка поля гербицидами.

В пятой главе приведены технологическая схема анаэробной переработки навоза КРС, технологические расчеты, расчет экономической эффективности от

внедрения предлагаемой технологии для УНПУ «Молодежное» Иркутского района Иркутской области, которая составила 256,3 тыс. руб./год. Экономическая эффективность складывалась из энергетического, агробиохимического, экологического положительных эффектов.

Технологическая схема представляет собой четыре взаимосвязанных блока (рис. 8): блок сбора и подготовки субстрата (I), блок метанового сбраживания и хранения (II), блок погрузки удобрений (III), блок сбора и использования биогаза в режиме когенерадии (IV).

Потребное количество метантенков-накопителей определяется периодом заданного хранения удобрений без внесения и количеством поступающего на переработку навоза. Суммарная доза загрузки в реакторы во всех случаях будет одной, и равняться суточному выходу навоза с фермы. В метантенки-накопители процесс заполнения реактора будет производиться дифференцировано, в соответствии с принятым графиком загрузки. Проточный метантенк (8) служит источником затравочного эффлюента для запуска накопителей (9). Биогаз, образовавшийся при сбраживании в проточном метантенке и метантенках-накопителях, после смешивания, осреднения, аккумулируется в газгольдере сухого типа (10). Подача биогаза в когенерационную установку (11) производится по мере необходимости.

-----Зффлвент

- Набоз

Рисунок 8 - Технологическая схема анаэробной переработки навоза КРС в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки: 1 - блок сбора и подготовки субстрата; И - блок метанового сбраживания и хранения; III - блок погрузки удобрений; IV - блок накопления и использования биогаза в режиме когенерашш; 1 - резервуар сбора сырья; 2 - фекальный насос; 3 - уловитель твердых механических включений; 4 - измельчитель грубых органических примесей; 5 - подогреватель субстрата; 6 - санитарное хранилище навоза; 7 - насос - дозатор; 8 - проточный метантенк; 9 - метантенк - накопитель; 10 - газгольдер биогаза; 11 - когенерационная установка.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что процесс анаэробного сбраживания в накопительном режиме характеризуется неустойчивостью, постоянным изменением условий жизнедеятельности в культуральной среде. Теоретические исследования кинетики процесса сбраживания выявили необходимость изменения величины дозы загрузки при заполнении биоэнергетической установки в соответствии с потребностями растущего числа микроорганизмов. Предложена дифференцированная доза загрузки, которая позволит стабилизировать процесс, поддерживать концентрацию микроорганизмов и питательного субстрата на постоянном уровне. Стабилизация процесса позволит повысить выход биогаза.

2. Выявлено, что естественное перемешивание это результат потерь энергии при сбраживании. Мощность перемешивания зависит от высоты слоя субстрата (при установившемся технологическом режиме), с увеличением пути перемещения пузырей мощность возрастает. Экспериментальными исследованиями доказано, что при заполнении биореактора свыше 33% рабочего объема мощности естественного перемешивания (следовательно, пути перемещения пузырей) достаточно для обеспечения нормальной жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов (при влажности субстрата 90 %).

3. Получены регрессионные модели основных оценочных параметров. Основное влияние на оценочные параметры процесса оказывает дифференцированная доза загрузки. Рациональное значение дозы загрузки равно 5 %, при этом технологические параметры равны: выход биогаза с рабочего объема биореактора - 28,182 м3/ м3Р0Б; выход биогаза с единицы загруженного АСОВ - 0,416 м3/кгАСов; энергетические параметры равны: энерговыделение - 507,36 МДж/м3ГОБ, энергоотдача - 7,484 МДж/кгАСов.

4. Разработана накопительная технология анаэробной переработки навоза КРС с дифференцированной дозой загрузки, которая позволяет перерабатывать и сохранять навоз без потере удобрительной способности за холодный стойловый период содержания скота, с последующим эффективным применением его в земледелии. Составлена методика расчета основных технологических параметров линии переработки.

5. Установлено, что в полученных анаэробно сброженных органических удобрениях повышается содержание аммиачного азота в 6,52 раза, нитрифицирующей способности на 12 % относительно нативного навоза крупного рогатого скота. Полевые опыты, на примере яровой пшеницы, показали агрономическую эффективность от применения эффлюента (доза внесения 30 т/га, урожайность 2,75 т/га) с прибавкой урожая 0,24 т/га относительно минеральных удобрений (МбоР4оКбо\ с прибавкой 0,18 т/га относительно нативного навоза КРС (доза внесения 30 т/га) и относительно контроля прибавка составила 0,43 т/га.

6. Экономический эффект от внедрения технологии анаэробной переработки навоза скотоводства, с дифференцированной загрузкой, для УНПУ «Молодежное» Иркутского района Иркутской области составил 256,3 тыс. руб./год (на единицу переработанного сырья - 259,8 руб/т.).

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Васильев, Ф.А. Переработка навоза ферм и комплексов по содержанию крупного рогатого скота с получением качественных органических удобрений и биогаза [Текст] / Ф.А. Васильев, В.К. Евтеев // Вестник ИрГСХА. - Иркутск 2010. - Вып. 38, март. - С. 44-50.

2. Евтеев, В.К. Возможность перемешивания субстрата потоком газа в анаэробных установках [Текст] / В.К. Евтеев, Ф.А. Васильев // Вестник ИрГСХА. -Иркутск, 2010. - Вып. 38, март. - С. 58-65.

3. Васильев, Ф.А. Обоснование выбора типа загрузки метантенка в накопительном режиме анаэробного сбраживания навоза КРС [Текст] / Ф.А. Васильев И Вестник ИрГСХА. - Иркутск: 2011. - Вып. 42, март. - С. 57-65.

4. Васильев, Ф.А. Технология анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота с дифференцированной дозой загрузки [Текст] / Ф.А. Васильер, В.К. Евтеев // Вестник КрасГАУ. - Красноярск: 2011. - №4, апрель. - С. 136-139.'

В других изданиях:

5. Евтеев, В.К. Моделирование процесса анаэробного сбраживания навоза КРС в накопительном режиме [Текст] / В.К. Евтеев, Ф.А. Васильев, В.Р. Елохин // Рациональное природопользование и энергосберегающие технологии в агропромышленном комплексе: сборник докладов международной научно-практической конференции, Иркутск, Россия. - Иркутск: изд-во ИрГСХА, 2010 — Ч. 2.-С. 208-215.

6. Васильев, Ф.А. Обоснование дифференциации дозы загрузки в накопительном режиме при анаэробном сбраживании навоза КРС [Текст] / Ф.А. Васильев, В.К. Евтеев // Технология и средства механизации в АПК: сборник науч. тр., Улан-Удэ, Россия. -Улан-Удэ: изд. ВСГТУ, 2010. -Вып. 6. - С. 133-140.

7. Васильев, Ф.А. Способы моделирования процесса анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота [Текст] / Ф.А. Васильев // Научные достижения производству: материалы научно-практической конференции молодых ученых с международным участием. Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2011. - С. 302-307.

8. Васильев, Ф.А. Экономическая эффективность технологии анаэробной переработки навоза крупного рогатого скота [Текст] / Ф.А. Васильев, В.К. Евтеев // Инженерное обеспечение и технический сервис в АПК: мат. международной научно-практической конф., посвященной 80-летию БГСХА и 50-летию инженерного факультета (9-12 июня 2011 г., Улан-Удэ). - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА им. В.Р. Филиппова, 2011. - С. 33-36.

9. Евтеев, В.К. Технология анаэробной переработки навоза крупного рогатого скота малых ферм (Рекомендации по внедрению технологии в сельскохозяйственное производство) [Текст] / В.К. Евтеев, Ф.А. Васильев - Иркутск: изд-во ИрГСХА, 2011.-18с.

Лицензия на издательскую деятельность ЛР№ 070444 от 11.03.98 г. Подписано в печать 08.11.2011 г. Тираж 150 экз.

Издательство Иркутской государственной сельскохозяйственной академии 664038, Иркутская обл., Иркутский р-н, пос. Молодежный

61 12-5/303

ИРКУТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

ТЕХНОЛОГИЯ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА В НАКОПИТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Филипп Александрович

Научный руководитель: к.т.н., доцент Евтеев В.К.

Иркутск - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 8

1.1 Методы и способы переработки навоза крупного рогатого скота, с максимальным извлечением заложенного в нем природного потенциала в условиях Восточной Сибири 8

1.2 Технологии анаэробной переработки навоза крупного рогатого скота 16

1.3 Технологии анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота 24

1.4 Моделирование процесса анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота 33

1.5 Цель и задачи исследования 44

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 45

2.1 Кинетика процесса анаэробного сбраживания в накопительном режиме 45

2.2 Естественное перемешивание в биореакторе 56

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 68

3.1 Общая методика проведения экспериментальных исследований 68

3.2 Планирование и методика проведения поисковых опытов 69

3.3 Планирование и методика проведения основных лабораторных экспериментов 71

3.4 Планирование и методика экспериментов по изучению агрономической эффективности жидких анаэробно сброженных органических удобрений 75

3.5 Частные методики проведения экспериментальных исследований

3.6 Математическая обработка результатов экспериментальных исследований

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 85

4.1 Результаты проведения поисковых опытов 85

4.2 Результаты экспериментальных исследований в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки 93

4.3 Результаты экспериментальных исследований по изучению агрономической эффективности жидких анаэробно сброженных органических удобрений

ГЛАВА 5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА В НАКОПИТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ 119

5.1 Предлагаемая технология анаэробной переработки навоза КРС в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки 119

5.2 Методика технологического расчета линии анаэробной переработки навоза крупного рогатого скота в накопительном режиме 123

5.3 Экономическая эффективность технологии анаэробной переработки навоза крупного рогатого скота в накопительном режиме 130

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 135

ЛИТЕРАТУРА 137

ПРИЛОЖЕНИЯ 151

76 82

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Повышение плодородия почвы и соответствующий рост урожайности сельскохозяйственных культур связан с применением органических удобрений. Внесение органических удобрений способствует улучшению физико-химических свойств почвы - увеличению запаса питательных веществ, понижению кислотности, повышению поглотительной способности и буферности, влагоемкости, скважности и водопроницаемости, обогащению почвы микрофлорой, усилению её биологической активности и созданию оптимальных условий для минерального питания растений. Одним из традиционных видов органических удобрений является навоз крупного рогатого скота. Он содержит все питательные вещества, в которых нуждаются растения. Значимость навоза крупного рогатого скота как удобрения подтверждается тем, что в тонне содержится примерно 4 кг азота, 2,5 кг фосфора и 4 кг калия. С другой стороны навоз скота может являться агрессивным источником загрязнения окружающей среды, в виду его инвазионного и инфекционного потенциалов. Поэтому недостаточно отработанные технологии переработки навоза КРС вызывают экологические, социальные и экономические издержки, затрудняющие функционирование ферм.

В современных условиях истощения традиционных энергетических ресурсов (нефти, природного газа и др.), значительном повышении себестоимости их добычи и транспортировки, возникла проблема изыскания надежных, альтернативных и по возможности дешевых, постоянно возобновляемых источников энергии. Так вопросы создания технологий выработки альтернативных видов энергии приобретают особое значение. Разработка научных методов и технологий энергосбережения, получения энергии и топлива должна одновременно решать проблемы охраны и улучшения состояния окружающей среды, защиты биосферы от химических и тепловых загрязнений.

Известно, что энергия, заключенная в кормах, потребляемых скотом, не полностью перерабатывается и используется организмом животного. Значительная её часть выделяется с навозом. Это обуславливает энергетическую и

4

агрономическую ценность навозной массы скота. В условиях сельского хозяйства Восточной Сибири особый интерес представляет создание энергосберегающей технологии анаэробной переработки навоза ферм и комплексов крупного рогатого скота в накопительном режиме. В основе данной технологии лежит естественный процесс деструкции органосодержащих веществ, проходящий в искусственно создаваемых условиях. В результате переработки получается альтернативное топливо - биогаз и высококачественное органическое удобрение - эффлюент. Накопительный режим анаэробного сбраживания позволяет сохранить качество эффлюента, с минимальными потерями удобрительного потенциала навоза КРС за время стойлового периода содержания скота, при котором не возможно эффективное внесение удобрений. Так внесение осуществляется в лучшие агротехнические сроки. Решаются проблемы обеспечения экологической безопасности - предотвращение загрязнения водоемов, почвы и посевов благодаря обеззараживанию, девита-лизации и частичной дезодорации навоза.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Иркутской государственной сельскохозяйственной академии «Разработка энергосберегающих технологий и средств механизации сельскохозяйственных процессов» (тема 24К, регистрационный номер: 01.2.00900777).

Цель работы - обоснование и разработка технологии анаэробной переработки навоза крупного рогатого скота в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки для получения биогаза и органических удобрений в природно-климатических условиях Восточной Сибири.

На основе поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

- исследовать кинетику процесса анаэробного сбраживания в накопительном режиме;

- обосновать возможность естественного перемешивания субстрата;

- экспериментально исследовать процесс анаэробного сбраживания навоза КРС в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки и

получить регрессионные модели основных оценочных параметров;

5

- разработать технологию анаэробной переработки навоза КРС в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки;

- определить агрономическую эффективность анаэробно сброженных

органических удобрений (эффлюэнта);

- оценить экономическую эффективность технологии анаэробной переработки навоза КРС в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки.

Объектом исследования является технологический процесс анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота.

Предмет исследования - накопительный режим анаэробного сбраживания с дифференцированной дозой загрузки.

Научную новизну работы составляют:

- применение кинетических закономерностей для описания процесса анаэробного сбраживания в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки;

- модель функциональной зависимости мощности естественного перемешивания при анаэробном сбраживании.

Практическая ценность. Разработана накопительная технология анаэробной переработки навоза КРС с дифференцированной дозой загрузки для получения биогаза и качественных органических удобрений.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических исследований процесса анаэробного сбраживания навоза КРС с дифференцированной дозой загрузки;

- результаты экспериментальных исследований процесса анаэробного сбраживания навоза КРС с дифференцированной дозой загрузки и регрессионные уравнения основных оценочных параметров;

- результаты исследований по определению агрономической эффективности анаэробно сброженных органических удобрений.

Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены на: научно-практических семинарах ИрГСХА «Чтения И.П. Терских» (Иркутск, 2008 - 2011); научно-практической конференции молодых

6

ученных Сибири и Дальнего Востока «Научные достижения производству» ИрГСХА (Иркутск, 2009, 2011); международной научно-практической конференции ИрГСХА «Рациональное природопользование и энергосберегающие технологии в агропромышленном комплексе» (Иркутск, 2009); конференции молодых ученных ИрГСХА «Инновационные технологии в АПК» (Иркутск, 2010); научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2010 -2011); первой всероссийской научно-технической конференции ИрГТУ «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (Иркутск, 2011); VI международной (заочной) научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные тенденции развития Российской науки» КрасГАУ (Красноярск, 2011); международной научно-практической конференции БГСХА «Инженерное обеспечение и технический сервис в АПК» (Улан-Удэ, 2011).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе из списка ВАК 4 работы.

Внедрение. Результаты исследований приняты к внедрению Министерством сельского хозяйства Иркутской области и внедрены на УНПУ «Молодежное» Иркутского района. Результаты научной разработки используются в учебном процессе на кафедре механизации сельскохозяйственных процессов и гидравлики Иркутской ГСХА.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц, 35 рисунков, список литературы из 131 наименования.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Методы и способы переработки навоза крупного рогатого скота, с максимальным извлечением заложенного в нем природного потенциала в условиях Восточной Сибири

В системе мер по повышению плодородия почвы важнейшее место отводиться органическим удобрениям. Это связано с тем, что они не только обогащают пахотный слой земли всеми питательными веществами, но и увеличивают до определенного предела и поддерживают гумус, улучшают свойства почвы, а так же условия минерального питания сельскохозяйственных растений [21, 22, 50, 77, 78, 88, 95, 100].

Одним из традиционных видов органических удобрений в Восточной Сибири является навоз крупного рогатого скота, что объясняется широкой распространенностью скота на данной территории [1, 2, 109].

Повышение качества навоза как органического удобрения является важной агротехнической мерой, а так же неотложной экологической задачей [18, 40, 41, 77, 78]. Разработка оптимальной технологии переработки и утилизации навоза позволит повысить урожайность сельскохозяйственных культур и предотвратить загрязнение окружающей среды. Технология переработки должна отвечать условиям Восточной Сибири, наиболее полно соответствовать её природно-климатическим, экономическим и производственным особенностям.

Навоз крупного рогатого скота, являясь ценным органическим удобрением, может стать источником загрязнения водоемов и почвы, распространения возбудителей инфекционных заболеваний. В нем содержатся семена сорных растений, яйца и личинки гельминтов, патогенные и условно патогенные микроорганизмы [7, 22, 92, 100, 105]. Поэтому необходимо не только обеспечить максимальное сохранение биогенных веществ навоза при его перера-

8

ботке, но и подавление всхожести семян сорных растений, уничтожение патогенных и болезнетворных микроорганизмов, жизнеспособных яиц и личинок гельминтов [22, 34, 93].

Большое значение в технологии переработки навоза имеют условия хранения навоза (удобрения) до времени внесения на сельскохозяйственные поля [22, 64, 81, 92, 99, 105, 119], которые так же должны быть направлены на сохранение питательных и биогенных веществ [23, 77]. По требованиям НТП 17-99* [93] оптимальные сроки внесения жидкого навоза должны быть приближены к срокам вегетации сельскохозяйственных культур. Указывается, что зимнее внесение обеззараженного бесподстилочного навоза в почву допускается при соответствующем согласовании с органами государственного ветеринарного, санитарного надзора и экологического контроля. Эффективность зимнего внесения бесподстилочного навоза в 1,5 раза ниже его внесения в период вегетации. При этом зимнее внесение необходимо проводить при температуре воздуха до минус 10 °С и высоте снежного покрова до 20 см на заранее подготовленные поля, с которых исключается сток талых загрязненных навозом вод в водоемы. Поэтому технология переработки должна строго соответствовать климатическим особенностям региона.

Холодный период (среднесуточная температура воздуха ниже 0 °С) в Иркутской области значительно длиннее теплого, и составляет 200-215 дней на севере и в горных долинах, 175-180 дней - в юго-восточной части и 180200 дней - на остальной территории. Почва в большинстве районов области промерзает на глубину более 2 метров. Высота снежного покрова в пределах Иркутско-Черемховской равнины составляет 25-30 см, пахотный слой промерзает к 1 ноября, а оттаивает 20-25 апреля [1, 12, 51]. По требованиям ВНТП 01-98 [82], пункт 5.1.З.: «Не допускается: ... круглогодовое внесение животноводческих стоков, круглогодовое орошение сточными водами на суглинистых почвах среднего и тяжелого механического состава, в зонах глубокого (свыше 1,5 м) сезонного промерзания, а также в зонах вечной мерзлоты». Ввиду данных ограничений в природно-климатических условиях

9

Восточной Сибири внесение полужидких, жидких органических удобрений в зимний период затруднено. Так же недопустимо промораживание бесподстилочного навоза в зимний период с последующим оттаиванием весной, так как это ведет к большим потерям азота (до 70%) [95].

Теплый период в лесостепной зоне Иркутской области составляет от 170 до 193 дней, а продолжительность периода активной вегетации (среднесуточная температура воздуха выше 10 °С) равна 95-110 дней. Лесостепная зона относиться к Иркутско-Черемховскому степному и лесостепному агроклиматическому округу, который является самым развитым в агроэкономиче-ском отношении. Отмечается, что по годам продолжительность периода активной вегетации может значительно колебаться, сокращаться за счет позд-невесенних и раннеосенних заморозков [1, 12, 51]. При условии внесения навоза КРС в теплый период, возникает необходимость, в его переработке и хранении за весь холодный стойловый период.

С учетом условий сельскохозяйственного производства Восточной Сибири, определены критерии выбора методов и способов переработки навоза скотоводства для получения качественных органических удобрений [7, 11, 20, 22, 32, 34, 39, 57, 65, 77, 78, 93, 99]:

- навоз скота является звеном в естественной природной цепи «почва -растение - животное - навоз - удобрение - почва», поэтому он должен использоваться в ней с наибольшей эффективностью;

- наличие органических веществ (целлюлоза, лигнин, пентозаны и др.), делают навоз идеальной пищей для почвенной микрофлоры, жизнедеятельность которой обеспечивает нормальное течение биохимических процессов в почве, способствует образованию и накоплению гумуса и соответствующего роста плодородия почвы;

- бактериологические особенности навоза исключают возможность его прямого применения как готового органического удобрения, необходимо предусматривать соблюдение ветеринарно-санитарных требований;

- переработка навоза скотоводства должна вестись с максимальным сохранением питательных веществ, ферментов и витаминов, присущих исходному сырью, а так же должны соблюдаться требования охраны окружающей среды от загрязнений продуктами переработки;

- полученные при переработке навоза скотоводства удобрения не должны содержать условно патогенную микрофлору, яйца гельминтов, также их применение не должно вызывать заболевание людей и животных, накопление вредных веществ в почве, вести к засорению сорной растительностью посевов;

- навоз скота, полученный в холодный стойловый период должен перерабатываться, и хранится до наступления возможности эффективного его применения в земледелии, при этом величина удобрительной способности не должна весомо снижаться;

- переработка должна вестись с наименьшими капитальными, трудовыми и энергетическими затратами.

В сельском хозяйстве применяют различные методы обработки и переработки навоза, выбор конкретного метода диктуется производственной необходимостью и сформулированной целью получени�