Обгрунтування основних параметрів метанового зброджування безпідстилкового гною великої рогатої худоби

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство агропромислового комплексу України

БІЛОЦЕРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

03.00.20 - біотехнологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

ОБГРУНТУВАННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ МЕТАНОВОГО ЗБРОДЖУВАННЯ БЕЗПІДСТИЛКОВОГО ГНОЮ ВЕЛИКОЇ РОГАТОЇ ХУДОБИ

ТАРГОНЯ ВАСИЛЬ СЕРГІЙОВИЧ

Біла Церква - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті по прогнозуванню і випробуванню техніки та технологій для сільськогосподарського виробництва (УкрНДІПВТ) Міністерства агропромислового комплексу України

Науковий керівник: - доктор біологічних наук, професор, член-кореспондент УААН, заслужений діяч науки і техніки України Герасименко Віктор Григорович Білоцерківський державний аграрний університет, проректор

Офіційні опоненти: - доктор ветеринарних наук, професор, академік Академії ветеринарних наук Російської Федерації Нікітенко Анатолій Мефодійович, Білоцерківський державний аграрний університет, завідувач кафедри зоогігієни та основ ветеринарії

- доктор сільськогосподарських наук, професор, член-кореспондент УААН Лінник Микола Кіндратович, Українська академія аграрних наук, академік-секретар відділення механізації і електрифікації

Провідна установа: Вінницький державний сільськогосподарський інститут

Захист відбудеться " 29 " червня 1999 року о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 27.821.01 в Білоцерківському державному аграрному університеті за адресою: 256400, Київська обл., м.Біла Церква, Соборна пл., 8/1, в ауд. 22.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Білоцерківського державного аграрного університету

Автореферат розісланий " 25 " травня 1999 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат біологічних наук, доцент Розпутній О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний стан сільськогосподарського виробництва потребує зниження витрат енергії, пошуку її альтернативних джерел, отримання в достатній кількості якісних органічних добрив для відтворення родючості грунтів, а також усунення екологічних проблем, пов'язаних з забрудненням навколишнього середовища відходами тваринництва.

Однією з найбільш перспективних технологій утилізації безпідстилкового гною великої рогатої худоби (ВРХ) є метанове зброджування, яке, на відміну від традиційних технологій, дозволяє одержувати біогаз як нетрадиційне джерело енергії і високоякісні знезаражені органічні добрива.

Значний вклад у вивчення процесу метанового зброджування і застосування його в сільськогосподарському виробництві внесли вчені України: Малашенко Ю.Р.(1993), Нікітін Г.А.(1990), Лінник М.К.(1992), Погорілий Л.В. (1992), Герасименко В.Г.(1991), Мовсесов Г.Є. (1990), Нікітенко А.М.(1998), Чміль О.І. (1995) та інші; вчені інших країн СНД і Балтії: Ковальов М.Г. (1985), Дурдибаєв С.Д. (1985), Дубровскіс В.С. (1988), Бекер М.Є. (1986), Вієстур У.Е. (1986); вчені інших зарубіжних країн: Баадер В. (1968), Хашімото А. (1979), Хунгате Р. (1975), Романюк В. (1995).

Незважаючи на всі переваги і значні досягнення за останні десятиліття щодо розробки технологій і обладнання, метанове зброджування не знайшло використання в сільськогосподарському виробництві України. Широке впровадження метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ стримується декількома причинами, в тому числі високою матеріаломісткістю і складністю технологічного обладнання, а також відсутністю взаємозв'язку його основних біотехнологічних показників з сумісними технологічними операціями за принципом біоконверсного комплексу. Проте, до нинішнього часу ці питання практично не вирішені. Практично не вивчався процес підготовки біомаси безпідстилкового гною ВРХ до ферментації з врахуванням параметрів технологічного процесу видалення та накопичення гною. Потребують подальшого дослідження основні параметри процесу і шляхи його інтенсифікації. Виникла необхідність в розробці більш ефективних конструкцій мікробіологічних реакторів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є фрагментом тематичного плану в УкрНДІПВТ (номери держ. реєстрації 0193U025876; 0194U025879; 0193U16731) як складова частина і стосувалась утилізації вторинної сировини тваринництва шляхом метанового зброджування для виробництва біогазу і органічних добрив.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - підвищення ефективності метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ у складі біоконверсного комплексу, зменшення матеріальних і енергетичних витрат при виробництві товарного біогазу і органічних добрив.

Для досягнення наміченої мети були поставлені слідуючі задачі:

1.Провести аналітичні дослідження щодо визначення основних керованих параметрів процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ і суміжних біотехнологічних процесів як біотехнічної системи в складі біоконверсного комплексу.

2.Дослідити основні параметри процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ, визначити технологічний режим процесу.

3.Дослідити основні параметри процесу підготовки біомаси безпідстилкового гною ВРХ до метанового зброджування, визначити технологічний режим процесу.

4.Дослідити інтенсифікацію процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ шляхом підвищення активної біомаси анаеробних бактерій.

5.Розробити конструкційну схему мікробіологічного реактора для метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ.

6.Провести біоенергетичну оцінку вдосконаленого процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ.

7.Визначити економічну ефективність використання вдосконаленого процесу. ферментація метановий збудження добриво

Наукова новизна одержаних результатів. Удосконалено технологічний процес метанового зброджування у мезофільному режимі безпідстилкового гною ВРХ як базового біотехнологічного процесу біоконверсного комплексу. Дістало подальший розвиток визначення оптимальних та сприйнятних параметрів технологічних процесів підготовки біомаси безпідстилкового гною ВРХ до ферментації та її метанового зброджування. Розроблено технологічну схему мікробіологічного реактора витіснення для метанового зброджування безпідстилкового гною. Встановлено біоенергетичну і економічну ефективність використання удосконаленого технологічного процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ.

Наукова новизна підтверджена а.с. СРСР №1439757 "Пристрій для анаеробного зброджування гною", патентом України №21714 А "Універсальний мікробіологічний реактор" і патентом України №23200 А "Мікробіологічний реактор".

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених досліджень використані при розробці "Системи машин для комплексної механізації сільськогосподарського виробництва на 1996-2005 роки", частина ІІ "Тваринництво", підрозділ 5.4 "Машини та обладнання для переробки гною", "Вихідних вимог на біогазову установку" Вт 46.16.20.17-94, затверджених Мінсільгосппродом України 30.11.1994р. і керівного нормативного документу КНД 16.20.01-96 "Техніка сільськогосподарська. Установка для метанового зброджування гною. Методи функціональних випробувань".

Вказана нормативно-технічна документація використовується науково-дослідними, проектно-конструкторськими і випробувальними установами країни.

Результати досліджень було також використано при розробці біогазових установок для малих сімейних ферм, яку проведено фірмами "Біос" і "Біогаз" за завданням Комітету з науково-технічного прогресу при Кабінеті Міністрів України по науково-технічній програмі 5.1.4 "Нетрадиційні джерела енергії, включаючи сонячну, вітрову і електрохімічну".

Результати досліджень було використано в 1997р. ІТІ "Біотехніка" УААН при розробці макетного варіанту установки анаеробного зброджування гною в учгоспі Одеського сільськогосподарського університету.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні дослідження з теми дисертації, їх обгрунтування, висновки і пропозиції виконано автором особисто із застосуванням сучасних методів досліджень. Аналіз та обговорення отриманих результатів проведено спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались і обговорювались на ІІ міжнародному конгресі "Біоконверсія органічних відходів народного господарства і охорона навколишнього середовища" (м. Івано-Франківськ, 1992р.); на міжнародній науково-практичній конференції "Випробування, прогнозування і адаптація до виробничих умов вітчизняної та зарубіжної техніки і технологій для рослинництва та тваринництва" (смт. Дослідницьке, 1995р.); на міжнародній науково-технічній конференції "Новітні технології утримання тварин і фермське обладнання з урахуванням вимог охорони довкілля" (Польща, м.Варшава, 1996р.); на міжнародній науково-практичній конференції "Екологія та проблеми зооінженерії і ветеринарної медицини" (м.Харків, 1997р.); на IV міжнародній науковій конференції "Проблеми інтенсифікації виробництва продукції тваринництва з урахуванням вимог охорони дов-кілля" (Польща, м.Варшава,1998р.); на міжнародній науково-практичній конференції "Випробування техніки і технології для сільськогосподарського виробництва на рубежі XXI сторіччя" (смт. Дослідницьке, 1998р.).

Публікації. Основні положення і результати досліджень опубліковано у 17 друкованих працях, у тому числі 10 статтях та 3 авторських свідоцтвах і патентах України.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, огляду літератури, вибору параметрів досліджень, експериментальної частини і методики досліджень, результатів власних досліджень, аналізу і узагальнення результатів досліджень, висновків, списку використаних джерел, додатків. Робота викладена на 140 сторінках комп'ютерного набору, містить 32 рисунки, 29 таблиць, 2 додатки. Список літератури включає 207 джерел, у тому числі 38 іноземних авторів.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА, МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ

Експериментальні установки. Для дослідження процесу метаново-го зброджування безпідстилкового гною ВРХ використана лабораторна установка, яка складається з трьох мікробіологічних реакторів об'ємом 7л кожний.

З метою визначення хімічних показників різних фракцій безпідстилкового гною ВРХ при його підготовці до ферментації шляхом згущення було розроблено і виготовлено лабораторну установку, яка являє собою місткість 10л з перфорованим днищем (діаметр отворів 2мм) і оснащена зливним патрубком, очищувачем перфорації і прижимним поршнем.

В межах проекту ДКНТ України ФАМ-800 (розробка проекту екологічно чистої безвідходної ферми-автомата майбутнього на 800 корів) у 1992-1996 р.р. спільно з фахівцями УкрНДІагропроекта (м.Київ), ІМТ УААН та НВО "КТІСМ" (м.Запоріжжя) було розроблено і виготовлено експериментальний мікробіологічний реактор витіснення з накопиченням активної біомаси анаеробних бактерій.

Методика експериментальних досліджень. Дослідження проводились у лабораторії переробки продукції тваринництва, агрохімічної і зоотехнічної оцінок Українського науково-дослідного інституту по прогнозуванню і випробуванню техніки та технологій для сільськогосподарського виробництва та науково-дослідного відділу утилізації відходів республіканського кооперативно-державного, проектно-пошукового і науково-дослідного об'єднання "УкрНДІагропроект".

Об'єктами експериментальних досліджень були процес підготовки біомаси безпідстилкового гною ВРХ до ферментації і процес метанового зброджування. Експерименти проводились впродовж 1990-1997р.р. Методи досліджень стосувались постановки експериментів з підготовки до ферментації і метанового зброджування реальної гнойової біомаси безпідстилкового гною ВРХ і є моделлю майбутньої установки промислового масштабу.

Відбір зразків і проб початкової і збродженої гнойової біомаси та проб біогазу проводились відповідно РД 10.20.1-87 і КНД 46.16.20.01-96. За методиками, що описані Ю.Лурье, та відповідно вимог КНД 46.16.20.01-96 і РД 10.20.1-87 визначались фізико-хімічні показники початкової та збродженої гнойової біомаси.

Результати вимірів оброблялись відповідно з вимогами ГОСТ 8.207-76 з вірогідністю Р?0,95. Після завершення експериментів проведено обробку результатів на ПЕОМ з використанням синтезу регресивних моделей оптимальної складності з використанням методів самоорганізації акад. А.Г.Івахненка та побудовою рівнянь регресії за методом натуральних квадратів.

РЕЗУЛЬТАТИ ВЛАСНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Дослідження основних параметрів процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ. Визначення технологічного режиму процесу. Для визначення впливу експозиції ферментації, дози завантаження і вологості початкової біомаси на процес метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ в мезофільному режимі нами проведено досліди на лабораторній установці, оснащеній мікробіологічними реакторами повного змішування. Доза завантаження початкової гнойової біомаси складала 4,3; 6,8 і 13,5% робочого об'єму реактора на добу. Експозиція ферментації становила 23,5; 14,8 і 7,5 діб. У якості показника, який характеризує ефективність метанового зброджування, використано вихід біогазу з одиниці абсолютно сухої речовини (АСР) гнойової біомаси, яка завантажується в мікробіологічний реактор. Результати дослідів було оброблено на ПЕОМ і отримані слідуючі рівняння регресії:

при дозі завантаження 4,3%:

Y =1051,62/Х₁² - 712,0784/Х₁ - 5,8417 Х₁ + 366,4559; (1)

при дозі завантаження 6,8%:

Y = -265,6672/Х₁ + 0,6145 10^-1 Х₁²- 7,3818 Х₁ + 320,3064; (2)

при дозі завантаження 13,5%:

Y = - 1,9311 Х₁ + 80,3696/Х₁-405,7213/ Х₁² + 166,3577, (3)

де Y - вихід біогазу, л кг^-1 АСР доб. -¹; Х - час ферментації, діб.

Середньоквадратична похибка на перевіреній множині склала відповідно 4,31; 3,83 і 2,25%. За отриманими рівняннями регресії побудовано графіки залежності виходу біогазу від часу ферментації при різних дозах завантаження (рис. 1). Дані про вихід і склад біогазу в залежності від дози завантаження наведено в табл.1.

Таблиця 1 - Вихід і склад біогазу в залежності від дози завантаження реактора

Доза завантаження, %	Вихід біогазу, л кг-1 АСР доб.-1	Вихід біогазу, л л-1реактора доб.-1	Склад біогазу
			СН4,%	СО2,%
4,3	213,4+20,7	0,66+0,03	64,8+2,9	33,9+2,7
6,8	184,0+20,6	0,83+0,04	61,4+3,2	37,8+2,0
13,5	129,8+9,9	1,24+0,05	57,6+2,8	41,8+2,1

Д - доза завантаження, %

Рис. 1 - Залежність виходу біогазу від часу ферментації при різних дозах завантаження

Збільшення експозиції ферментації майже в 3 рази призвело до збільшення виходу біогазу з одиниці органічної речовини біомаси в 1,64 рази. При цьому ступінь біоконверсії органічної речовини біомаси зросла з 12,95% до 28,71%.

При завантаженні 4,3% робочого об'єму мікробіологічного реактора (рис.1) відмічається зростання виходу біогазу в перші 2 доби ферментації, потім падіння на 12…14% в наступні 2 доби з подальшим зростанням виходу біогазу в наступні 4 доби. Максимальний подальший вихід біогазу відмічався з 5 по 20 добу з початку ферментації. При дозі завантаження 6,8% робочого об'єму мікробіологічного реактора спостерігається різке зростання виходу біогазу (до 17%) до 7 доби ферментації, а потім встановлено поступове його зменшення до початкового рівня на 20…25 день. Середній вихід біогазу на весь період досліджень при дозі завантаження 6,8% був лише на 15% нижчий, ніж при дозі завантаження 4,3%. При дозі завантаження 13,5% робочого об'єму мікробіологічного реактора відмічене різке падіння виходу біогазу з подальшим інтенсивним його зростанням впродовж перших 5 діб. Максимальний вихід біогазу відмічено з 5 по 8 добу ферментації з подальшим поступовим його зменшенням. Крім того, при підвищеній дозі завантаження має місце зниження вмісту метану в біогазі на 11%.

В зв'язку з цим для промислових мікробіологічних реакторів повного змішування, які працюють в режимі біоенергетичних установок і основна мета яких - отримання товарного біогазу, слід приймати експозицію ферментації біомаси безпідстилкового гною ВРХ не менше 20 діб. При цьому ступінь біоконверсії органічної речовини біомаси буде складати 25…30%, а вихід біогазу 190…210 л кг^-1 АСР доб.-¹. Для реакторів метанового зброджування промислових установок, основною метою функціонування яких є отримання якісних знезаражених органічних добрив, мінімальна експозиція ферментації має складати 5…7 діб. При цьому ступінь біоконверсії органічної речовини біомаси безпідстилкового гною ВРХ досягатиме близько 20%, а вихід біогазу 130…150 л кг^-1 АСР доб.-¹. При цьому необхідний робочий об'єм мікробіологічного реактора для утилізації того ж самого об'єму гнойової біомаси буде в 2,86…4,0 рази менший за рахунок зменшення експозиції ферментації.

З метою визначення оптимальних значень вологості початкової біомаси безпідстилкового гною ВРХ при його метановому зброджуванні проведено дослід по визначенню впливу початкової вологості біомаси на вихід біогазу з одиниці органічної речовини.

При визначенні залежності виходу біогазу від початкової вологості біомаси і дози завантаження отримані слідуючі рівняння регресії:

при дозі завантаження 4,3%:

Y =305,4496 (Х-91)^0,1343 е- ^{0,2431 (Х-91)}; (4)

при дозі завантаження 6,8%:

Y =295,1324 (Х-91)^0,0976 е- ^{0,2121 (Х-91)}; (5)

при дозі завантаження 13,5%:

Y =116,0842 (Х-91)^0,0067 е- ^{0,1537 (Х-91)}, (6)

де Y - вихід біогазу, л кг^-1 АСР доб. -¹;

Х - початкова вологість гнойової біомаси, %.

Відповідно з отриманими рівняннями регресії побудовано графіки залежності виходу біогазу від початкової вологості гнойової біомаси при різних дозах завантаження.

Оптимальне значення вологості біомаси безпідстилкового гною ВРХ при всіх дозах завантаження проточного мікробіологічного реактора повного змішування в мезофільному режимі близьке 91,7%, а оптимальні межі значень початкової вологості гнойової біомаси становлять 91…92,5%. При цьому вихід біогазу при утилізації одиниці органічної речовини гнойової біомаси майже на 30% вищий ніж при початковій вологості 94%.

Дослідження основних параметрів процесу підготовки біомаси безпідстилкового гною ВРХ до метанового зброджування. Для виявлення впливу на основні показники якості біомаси безпідстилкового гною ВРХ різних процесів фракціонування з метою забезпечення оптимальних значень вологості проведено досліди з використанням лабораторної установки. В процесі дослідження визначались хімічні показники початкової гнойової біомаси та її фракцій. Дослідженням було піддано свіжу гнойову біомасу, яку відбирали безпосередньо з гнойових каналів, і витриману гнойову біомасу, яку відбирали з кінцевого гнойового приямка системи видалення безпідстилкового гною.

Д - доза завантаження, %

Рис. 2 - Залежність виходу біогазу від початкової вологості гнойової біомаси при різних дозах завантаження

Порівняльний аналіз значень хімічних показників свіжої та витриманої гнойової біомаси та їх фракцій свідчить про відсутність змін у вмісті фосфору і калію і підвищення кількості азоту і вуглецю. Проте, при цьому відбувається значне зниження вмісту летких жирних кислот (ЛЖК). Так, наприклад, вміст ЛЖК в рідкій фракції свіжої гнойової біомаси, яка відводиться через перфоровану поверхню під дією сил гравітації, становить 990+1,8 мг/л проти 570+25 мг/л у початковій гнойовій біомасі, що на 73,68% більше. Теж саме відмічено і при фракціонуванні витриманої гнойової біомаси. Вміст ЛЖК в рідкій фракції витриманої біомаси на 50,76% перевершує їх концентрацію у початковій гнойовій біомасі і становить відповідно 1470+39 мг/л і 975+ 20 мг/л.

Таким чином, підготовка біомаси безпідстилкового гною ВРХ до метанового зброджування методом згущення шляхом фракціонування є недоцільною через видалення з біомаси розчинених органічних речовин, які в першу чергу служать поживним середовищем для метаногенних бактерій.

З метою визначення часу знаходження в гнойових каналах біомаси безпідстилкового гною ВРХ з моменту дефекації до моменту початку метанового зброджування на показники якості гнойової біомаси проведено наступний експеримент. Свіжий гній і сечу збирали в місткості і розбавляли до вологості 91,7%. Місткості об'ємом 10л попередньо сполоскувались рідкою гнойовою біомасою з гнойових каналів з метою посіву мікрофлори, яка їм притаманна. Підготовлену такими чином гнойову біомасу витримували на протязі 7 діб при температурі 20…22 ^оС, яка відповідає температурі в гнойових каналах в теплий період року. Щодобово вимірювали значення рН і вміст ЛЖК.

Дослідження було проведено на гнойовій біомасі дійних корів і поголів'я ВРХ на відгодівлі.

Отримані слідуючі рівняння регресії зміни вмісту ЛЖК в гнойовій біомасі залежні від часу витримки:

для гнойової біомаси дійних корів:

Y = 174,0348 Х₁ + 0,1397 10^-2/Х₁ + 509,0043; (7)

для гнойової біомаси поголів'я ВРХ на відгодівлі:

Y = - 48,7817 Х₁² + 610,155 Х₁ + 1085,5044. (8)

Середньоквадратична похибка на перевіреній множині склала відпо-відно 0,69% і 1,71%.

Отримані також слідуючі рівняння регресії зміни значень рН гнойової біомаси в залежності від часу витримки:

для гнойової біомаси дійних корів:

Y = - 0,2720 Х₁ + 0,2202 10^-1 Х₁² + 7,8542; (9)

для гнойової біомаси поголів'я ВРХ на відгодівлі:

Y = 0,2976 10^-1 Х₁² - 0,3488 Х₁ + 7,800. (10)

Середньоквадратична похибка на перевіреній множині склала відповідно 0,16% і 0,86%.

Відповідно з отриманими рівняннями регресії побудовано графіки (рис. 3,4). Проведено аналіз отриманих результатів досліду з урахуванням того, що оптимальне значення рН біомаси для подальшого метанового зброджування становить 6,5…7,5, а оптимальний вміст ЛЖК-600…1500 мг/л.

Оптимальні значення вмісту ЛЖК в гнойовій біомасі дійних корів знаходяться у межах часу витримки від 1 до 5,5 діб. У той же час оптимальні значення рН гнойової біомаси дійних корів досягаються після її перебування в гнойовому каналі не менше 1 доби, а при подальшій витримці значення рН не опускається нижче 7,0

1-гнойова біомаса дійних корів;

2-гнойова біомаса поголів'я ВРХ на відгодівлі

Рис. 3 - Зміна значень рН гнойової біомаси залежно від часу витримки

1-гнойова біомаса дійних корів; 2-гнойова біомаса поголів'я ВРХ на відгодівлі

Рис. 4 - Зміна вмісту ЛЖК в гнойовій біомасі залежно від часу витримки

Таким чином, оптимальний час витримки гнойової біомаси дійних корів в гнойових каналах в теплий період року складає близько 5 діб, а допустимий час витримки - 1…5,5 діб. Вміст ЛЖК в гнойовій біомасі поголів'я на відгодівлі вже через 1 добу витримки в гнойовому каналі перевищує 1500 мг/л і, у той же час, оптимальні значення рН для метанового зброджування досягаються при часі витримки не менше 1 доби. Таким чином, оптимальний і допустимий час витримки в гнойових каналах біомаси поголів'я ВРХ на відгодівлі становить 1 добу.

Дослідження інтенсифікації процесу метанового зброджування біомаси безпідстилкового гною ВРХ шляхом підвищення концентрації активної біомаси анаеробних бактерій. Дослідження проведено на експериментальному повномасштабному мікробіологічному реакторові витіснення з накопиченням активної біомаси відповідно з КНД 46.16.20.01-96 "Техніка сільськогосподарська. Установки для метанового зброджування гною. Методи функціональних випробувань".

При температурі ферментації 32+1^оС і дозі завантаження гнойової біомаси 1,0 м³/доб. питомий вихід біогазу з одиниці об'єму біомаси, що завантажується, складає 14,6+0,4 м³/м³, а при дозі завантаження 3,0 м³/доб. він становить 10,3+ 0,7м³/м³. Аналогічна залежність відмічається і при температурі ферментації 40+1^оС; при тих же дозах завантаження питомий вихід біогазу з одиниці об'єму біомаси складає відповідно 15,1+ 0,5м³/м³ і 10,5+ 1,2м³/м³.



1-ступінь біоконверсії при t=32^оС; 2-ступінь біоконверсії при накопиченні активної біо-маси і t=32^оС; 3-сту-пінь біоконверсії при накопиченні активної біомаси і t=40^оС

Рис.5-Залежність ступеня біоконверсії від експозиції зброджування та застосування накопичення активної біомаси шляхом іммобілізації

Оцінку ефективності процесу метанового зброджування біомаси безпідстилкового гною ВРХ за рахунок підвищення концентрації активної біомаси анаеробних бактерій шляхом їх поверхневої іммобілізації проведено на основі співставлення значень ступеня біоконверсії органічної речовини.

Графіки залежності ступеня біоконверсії органічної речовини від експозиції зброджування та застосування накопичення активної біомаси шляхом іммобілізації представлено на рис.5. Застосування накопичення активної біомаси шляхом іммобілізації при метановому зброджуванні з експозицією 25 діб і більше практично не впливає на ступінь біоконверсії органічної речовини. Навіть при такому високому значенні експозиції ферментації ступінь біоконверсії не перевищує 30%. Таким чином, застосування іммобілізаторів в мікробіологічних реакторах біогазових установок, основна мета застосування яких отримання товарного біогазу, а експозиція ферментації складає 20…25 діб, малоефективне при зброджуванні гнойової біомаси ВРХ. При використанні метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ з метою отримання якісних органічних добрив, для якого характерна більш низька експозиція ферментації, дозволяє інтенсифікувати процес. Якщо ступінь біоконверсії органічної речовини при експозиції 8,3 доби в реакторах змішування без накопичення активної біомаси і температурі 32^оС не перевищує 13%, то з використанням іммобілізаторів активної біомаси він складає: при температурі 32^оС - 18,27+1,38%, а при температурі 40^оС - 20,24+1,00%. Тобто, використання накопичення активної біомаси при метановому зброджуванні безпідстилкового гною ВРХ з метою отримання, в першу чергу, якісних органічних добрив дозволяє зменшити мінімально допустиму експозицію з 7 до 5 діб, що дозволяє зменшити робочий об'єм мікробіологічного реактора на 29%.

Результати біоенергетичної оцінки. Рівень інтенсифікації, який досягнуто за рахунок використання нового варіанту біотехнологічного про-цесу метанового зброджування, склав 0,3% за прямими енерговитратами, а з урахуванням енергомісткості додатково отриманого товарного біогазу - 42,8%. Рівень інтенсифікації за повними енерговитратами склав 24,5%, а з урахуванням додатково отриманого товарного біогазу 37,2%. В цілому, вдосконалення технологічного процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ в мезофільному режимі як базового біотехнологічного процесу біоконверсного комплексу дозволяє зменшити матеріалоємкість обладнання в 1,46 разів, а витрати енергії в 1,75 разів.

Результати техніко-економічної оцінки. Базові і новий варіанти технології розглянуті для молочнотоварної ферми на 200 голів у складі біоконверсного комплексу з врахуванням технологічних операцій з видаленням гнойової біомаси і внесенням отриманих органічних добрив у грунт.

В результаті техніко-економічної оцінки встановлено, що впровадження удосконаленого процесу і нового обладнання дозволяє зменшити капіталовкладення на 62,33%. Додатковий річний економічний ефект від застосування окремих заходів нового варіанту технології включає: економію енергетичних ресурсів за рахунок отримання додаткової кількості товарного біогазу - 2,21 тис. грн.; економію за рахунок зменшення витрат на внесення отриманих органічних добрив - 22,17 тис. грн.. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження удосконаленого технологічного процесу складає 87,03 тис. грн..

АНАЛІЗ І УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

Аналіз і узагальнення результатів досліджень дозволило визначити слідуючі технологічні режими удосконаленого процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ:

Проведені дослідження за обраними напрямками дозволили досягти основної мети роботи - підвищення ефективності метанового зброд-жування безпідстилкового гною ВРХ, зменшення матеріальних і енер-гетичних витрат при виробництві товарного біогазу і органічних добрив в складі біоконверсного комплексу.

ВИСНОВКИ

1.Збільшення виробництва товарного біогазу та високоякісних органічних добрив, зменшення енергетичних і матеріальних витрат при утилізації безпідстилкового гною ВРХ на фермах і комплексах України можливо за рахунок використання удосконаленого біотехнологічного процесу метанового зброджування.

2.Для промислових мікробіологічних реакторів, які працюють в мезофільному режимі як біоенергетичні установки і основною метою застосування яких є отримання товарного біогазу, слід приймати експозицію ферментації не менше 20 діб. При цьому ступінь біоконверсії органічної речовини біомаси безпідстилкового гною ВРХ складатиме 25…30%, а вихід біогазу 190…210 л кг^-1 АСР доб^-1.

3.Для реакторів метанового зброджування промислових установок, основною метою функціонування яких є отримання якісних знезаражених органічних добрив, мінімальна експозиція ферментації може складати 5…7діб. При цьому ступінь біоконверсії органічної речовини біомаси безпідстилкового гною ВРХ досягає близько 20%, а вихід біогазу 130…150 л кг^-1 АСР доб^-1.

4.Оптимальне значення початкової вологості біомаси безпідстилкового гною ВРХ близьке 91,7% (Р=0,95), а сприйнятні межі значень початкової вологості гнойової біомаси становлять 91,0…92,5%.

5.Підготовка біомаси безпідстилкового гною ВРХ до метанового зброджування шляхом фракціонування є недоцільною через видалення з біомаси розчинних речовин, які в першу чергу служать поживним середовищем для метаногенних бактерій.

6.Оптимальний і допустимий час витримки в гнойових каналах біомаси безпідстилкового гною поголів'я ВРХ на відгодівлі становить 1 добу. Оптимальний час витримки в гнойових каналах біомаси безпідстилкового гною корів складає близько 5 діб, а допустимий час витримки - 1…5,5 діб.

7.Використання інтенсифікації процесу метанового зброджування біомаси безпідстилкового гною ВРХ шляхом підвищення концентрації активної біомаси анаеробних мікроорганізмів в промислових біогазових установках, основною метою функціонування яких є отримання товарного біогазу, а експозиція ферментації становить 20…25 діб, недоцільне.

В таких установках застосування іммобілізаторів практично не впливає на ступінь біоконверсії органічної речовини, яка не перевищує 30%.

8.Використання іммобілізаторів активної біомаси анаеробних мікроорганізмів в установках, основною метою функціонування яких є отримання якісних знезаражених органічних добрив, дозволяє збільшити ступінь біоконверсії органічної речовини на 28,88…35,77%.

9.Для метанового зброджування біомаси безпідстилкового гною ВРХ доцільно використовувати секційні мікробіологічні реактори витіснення з рухомими іммобілізаторами активної біомаси анаеробних бактерій у вигляді пластин або сітчастих насадок.

10.Проведено вдосконалення технологічного процесу метанового зброджування в мезофільному режимі безпідстилкового гною ВРХ, як базового біотехнологічного процесу біоконверсного комплексу, яке дозво-ляє зменшити матеріалоємкість обладнання в 1,46 разів, а витрати енергії в 1,75 разів.

11.Використання вдосконаленого технологічного процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ в порівнянні з існуючими техно-логіями за результатами біоенергетичної оцінки дозволяє досягти рівня інтенсифікації за прямими енерговитратами 0,3%, а з урахуванням енерго-місткості додатково отриманого біогазу - 42,8%. Рівень інтенсифікації за повними енерговитратами складає 24,5%, а з урахуванням енергомісткості додатково отриманого товарного біогазу - 37,2%.

12.Використання вдосконаленого технологічного процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ і нових конструкцій мікробіоло-гічних реакторів дає можливість у порівнянні з існуючими технологічними процесами метанового зброджування знизити капіталовкладенння на 67,54% і експлуатаційні витрати на 62,33%. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження розробки на молочнотоварній фермі на 200 голів складає 87,03 тис. грн.

13.Впровадження удосконаленого технологічного процесу метанового зброджування і нових конструкцій обладнання для його реалізації доцільне при реконструкції діючих і будівництві нових підприємств з виробництва молока і яловичини.

Рекомендації щодо наукового і практичного використання одержаних результатів. На підставі отриманих результатів пропонується для виробництва:

1.На фермах і комплексах з виробництва молока і яловичини для утилізації біомаси безпідстилкового гною використовувати удосконалений технологічний процес метанового зброджування в мезофільному режимі з мінімальною експозицією ферментації 5…7 діб, якому передує процес підготовки біомаси до ферментації при видаленні і подачі гнойової біомаси вологістю 91,0…92,5% і часом витримки в гнойових каналах 1…5,5 діб.

2.Метанове зброджування безпідстилкового гною ВРХ здійснювати в мікробіологічних реакторах (а.с. СРСР №1439757, патенти України №21714А, №23200 А).

3.Під час подальшої розробки обладнання для метанового зброджування безпідстилкового гною і комплексних біоконверсних технологій утилізації відходів тваринництва керуватись такими нормативно-технічними документами:

"Вихідні вимоги на біогазову установку" Вт 46.16.20.17-94, затверджені Мінсільгосппродом України 30.11.1994 р.;

керівний нормативний документ КНД 16.20.01-96 "Техніка сільськогосподарська. Установка для метанового зброджування гною. Методи функціональних випробувань", затверджений Мінсільгосппродом України 15.12.1996 р.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Таргоня В.С. Оптимізація основних параметрів процесу метанового зброджування біомаси безпідстилкового гною великої рогатої худоби в мезофільному режимі // Вісник Білоцерківського державного аграрного університету: Зб.наук.праць. - Біла Церква, 1998.- Вип.7.-Ч.1 -С.259-263.

2.Таргоня В.С. Шляхи інтенсифікації процесу метанового зброджування безпідстилкового гною великої рогатої худоби // Там же - С.263-267.

3. Таргоня В.С. До питання системного аналізу біотехнологічного процесу метанової ферментизації гнійної біомаси як складової біотехнічної системи // Машиновипробування на службі прогресу машинобудування і технологій сільськогосподарського виробництва: Зб.наук.праць УкрНДІПВТ.-Дослідницьке, 1997. - С.70-75.

4. Герасименко В., Таргоня В. Інтенсифікація процесу метанового зброджування безпідстилкового гною шляхом підвищення концентрації активної біомаси анаеробних бактерій // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Зб.наук.праць УкрНДІПВТ.-Дослідницьке,1998. Вип.1-С.154-157. Дисертантом виконані експериментальні дослідження та написання роботи.

5.Ясенецкий В.А., Таргоня В.С. Оборудование для получения биогаза из навоза // Механизация и электрификация сел. хоз-ва.-1991.-№4.-С.23-24. Дисертантом визначені напрямки підвищення ефективності використання біога-зових установок.

6.Ясенецький В.А., Таргоня В.С., Клименко В.П., Сенчук М.М. Комплексна біотехнологія утилізації відходів ферм ВРХ і отримання органічних добрив для альтернативного землеробства // Новітні технології утримання тварин

і фермське обладнання з урахуванням вимог охорони довкілля. - Варшава.: Вид-во ІБМЕР, 1996. -С.67-68.-на польск. мов. Дисертантом виконана частина досліджень та написана дана робота.

7.Погорілий Л.В., Ясенецький В.А., Таргоня В.С. Концепція створення і використання базових біотехнологій утилізації відходів тваринництва // Там же.-С.146-148.-на польск. мов. Дисертант брав участь в розробці концепції

та написанні роботи

8.Ясенецький В.А., Таргоня В.С. Для обмеження забруднення навколишнього середовища // Техніка АПК.-1998.-№3-С.22-23. Дисертантом проведені дослідження та написана дана робота.

9.Ясенецкий В.А., Таргоня В.С., Бабинец Т.Л. Сравнительный технико-экономический анализ технологий приготовления органических удобрений из жидкого навоза на основе процесса анаэробного сбраживания // Совершенствование технологий производства кормов и животноводческой продукции с использованием испытываемой техники: Сб.науч.трудов / КубНИИТиМ. - 1989. - С.3-10. Дисертант брав участь в проведенні досліджень, аналізі результатів та написанні даної роботи.

10.Ткаченко С.Й., Ларюшкін Є.П., Нудель Г.О., Таргоня В.С. Оцінка енергетичної ефективності біогазової установки // Вісник Вінницького політехнічного інституту.-1998.-№2.-С.48-54. Дисертант брав участь в проведенні досліджень, аналізі результатів та написанні даної роботи.

11.А.с. 14339757 СССР, МКИ³ А01С3/02. Устройство для анаэробного сбраживания навоза / В.С.Таргоня, В.А.Ермоленко, Н.В.Нарышкин, В.М.Федотов и Л.М.Ягудин. - №4228005/30-15; Заявлено 13.04.87; Опубл. 22.07.88. - 4с.

12.Патент на винахід 21714 А UA, С02F11/04, С02F11/00. Універсальний мікробіологічний реактор / Ткаченко С.Й., Погорілий Л.В., Ларюшкін Є.П., Шелел В.І., Таргоня В.С., Клименко В.П. - 96051922; Заявлено 16.05.96; Опубл. 20.01.98.-2с.

13.Патент на винахід 23200 А UA, А01С3/00. Мікробіологічний реактор/ Погорілий Л.В., Ясенецький В.А., Таргоня В.С., Сенчук М.М., Клименко В.П., Іваненко І.М., Грицаєнко Л.В.-96083167; Заявлено 07.08.96; Опубл. 19.05.98.-2с.

14.Ясенецький В.А., Таргоня В.С. Подготовка бесподстилочного навоза животноводческих ферм и комплексов к анаэробному сбраживанию //

ІІ международный конгресс "Биоконверсия органических отходов народного хозяйства и охрана окружающей среды": Тез.докл.- Ивано-Франковск, 1992.-С.122-124.

15.Ясенецкий В.А., Таргоня В.С. Усовершенствование конструкционной схемы секционных биореакторов для анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза // Там же.-С.125-126.

16.Козменко В.В., Попов В.В., Носальский Н.Г., Грицаєнко Л.В.,

Сенчук М.М., Таргоня В.С., Ясенецький В.А. Біосфера, екологія і переробка відходів тваринницьких ферм // Екологія та проблеми зооінженерії і ветеринарної медицини: Матеріали міжнарод. наук.-практ.конф. - Харків, 1997.-С.45-46.

17.Таргоня В.С. Інтенсифікація процесу метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ // Випробування, техніка і технології для сільськогосподарського виробництва на рубежі XXI сторіччя: Тез.допов.-Дослідницьке, 1998. -С.102-103.

Таргоня В.С. Обгрунтування основних параметрів метанового зброджу-вання безпідстилкового гною великої рогатої худоби. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук з спеціальності 03.00.20 - біотехнологія.- Білоцерківський держаний аграрний університет, Біла Церква, 1999.

Захищається 10 наукових праць, 3 авторських свідоцтва і патенти України, які містять теоретичні і експериментальні дослідження процесу метанового зброджування безпідстилкового гною великої рогатої худоби (ВРХ) у складі біоконверсного комплексу. Удосконалено технологічний процес метанового зброджування безпідстилкового гною ВРХ в мезофільному режимі, дістали подальший розвиток визначення оптимальних та сприйнятних параметрів процесів підготовки біомаси безпідстилкового гною ВРХ до ферментації та її метанового зброджування. Запропоновано конструкційні схеми мікробіологічного реактора.

Впровадження результатів роботи дає можливість інтенсифікувати процес метанового зброджування, зменшити матеріалоємкість обладнання в 1,46 разів, а витрати енергії - в 1,75 разів.

Ключові слова: метанове зброджування, безпідстилковий гній ВРХ, технологічний процес, мікробіологічний реактор, біоконверсний комплекс, підготовка до ферментації, іммобілізація активної біомаси.

Таргоня В.С. Обоснование основных параметров метанового сбраживания бесподстилочного навоза крупного рогатого скота. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук по специальности 03.00.20 - биотехнология. - Белоцерковский государственный аграрный университет, Белая Церковь, 1999.

Защищается 10 научных работ, 3 авторских свидетельства и патенты Украины, которые содержат теоретические и экспериментальные исследования процесса метанового сбраживания бесподстилочного навоза крупного рогатого скота (КРС) в составе биоконверсного комплекса. Усо-вершенствован технологический процесс метанового сбраживания бес-подстилочного навоза КРС в мезофильном режиме, получили дальнейшее развитие определение оптимальных и приемлемых параметров процессов подготовки биомассы бесподстилочного навоза КРС к ферментации и ее метанового сбраживания.

Определено оптимальное значение начальной влажности биомассы бесподстилочного навоза КРС равное 91,7% (Р=0,95) и допустимые пре-делы значений начальной влажности навозной биомассы 91,0…92,5%. При этом выход биогаза при ферментации единицы органического вещества навозной биомассы на 30% выше, чем при начальной влажности 94,0%.

Обоснована нецелесообразность подготовки биомассы бесподстилочного навоза к метановому сбраживанию путем фракционирования из-за удаления из биомассы растворимых веществ, которые в первую очередь, служат питательной средой для анаэробных микроорганизмов. Определено оптимальное время выдержки в навозных каналах биомассы, которое для бесподстилочного навоза коров составляет до 5 суток, а для навоза поголовья КРС на откорме - 1 сутки.

Представлены материалы исследований интенсификации процесса метанового сбраживания бесподстилочного навоза КРС путем повышения концентрации активной биомассы анаэробных бактерий. В биоэнергетических установках с экспозицией сбраживания 20…25 суток использование иммобилизаторов практически не влияет на степень биоконверсии органического вещества, которая не превышает 30%. Использование иммобилизаторов активной биомассы анаэробных бактерий в установках с экспозицией сбраживания до 7 суток позволяет увеличить степень биоконверсии органического вещества на 28,88…35,77%.

Разработаны конструкционные схемы микробиологических реакторов. Для метанового сбраживания биомассы бесподстилочного навоза КРС целесообразно использовать секционные микробиоло-гические реакторы вытеснения с подвижными иммобилизаторами активной биомассы анаэробных микроорганизмов.

Проведение усовершенствования технологического процесса метанового сбраживания в мезофильном режиме бесподстилочного навоза КРС как базового биотехнологического процесса биоконверсного комплекса позволило снизить материалоемкость оборудования в 1,46 раза, а затраты энергии в 1,75 раза.

Для промышленных микробиологических реакторов, которые работают в мезофильном режиме как биоэнергетические установки и основной целью использования которых является получение товарного биогаза, следует принимать экспозицию ферментации не менее 20 суток. При этом степень биоконверсии органического вещества бесподстилочного навоза КРС будет составлять 25…30%, а выход биогаза 190…210 л кг ^-1АСВ сут ^-1.

Для реакторов метанового сбраживания промышленных установок, основной целью функционирования которых является получение качественных органических удобрений, минимальная экспозиция сбраживания может составлять 5…7 суток. При этом степень биоконверсии органического вещества биомассы бесподстилочного навоза КРС достигает 20%, а выход биогаза - 130…150 л кг ^-1АСВ сут ^-1.

Использование усовершенствованного технологического процесса метанового сбраживания бесподстилочного навоза КРС в сравнении с существующими технологиями по результатам биоэнергетической оценки позволило достичь уровня интенсификации по прямым энергозатратам 0,3%, а с учетом энергосодержания дополнительно полученного биогаза - 42,8%. Уровень интенсификации по полным энергозатратам составил 24,5%, а с учетом дополнительно полученного биогаза - 37,2%.

Использование усовершенствованного технологического процесса и новых конструкций микробиологических реакторов экономически целесообразно на фермах и комплексах по производству молока и говядины и позволяет в сравнении с существующими технологическими процессами метанового сбраживания снизить капиталовложения на 67,54%, а эксплуатационные затраты на 62,33%. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения разработки на молочно-товарной ферме на 200 голов составляет 87,03 тыс. грн.

Ключевые слова: метановое сбраживание, бесподстилочный навоз КРС, технологический процесс, микробиологический реактор, биоконверсный комплекс, подготовка к ферментации, иммобилизация активной биомассы.

Tarhonya V.S. The Substantiation of Basic Parameters of Methane Digestion of Cattle Wastes. - Manuscript.

The thesis for the scientific degree of the candidate of Agricultural Sciences on the specialty 03.00.20 - Biotechnology.

The Bila Tserkva State Agrarian University. Bila Tserkva, Soborna 1|8, 1999.

10 scientific works, 3 inverters certificates and the patents of Ukraine which contains theoretical and practical research of process of methane digestion of cattle wastes as a part of bioconversional complex are defended. The techno-logical process of Methane digestion of Cattle wastes in mezothil regime is improved. Determination of optimal and acceptable parameters of processes of preparing of cattle wastes biomass for fermitization and its methane digestion is further developed.

Constructional schemes of microbiological reactors are proposed. The appli-cation of the results to practice raise the rate of methane process digestion. It reduces material capacity of equipment's in 1,46 and energy resources in 1,75.

Key words: methane digestion, cattle wastes, technological process, microbiological reactor, bioconversional complex, preparation to fermitization, immobilization of active biomass.

Размещено на Allbest.ru

...