Повышения эффективности анаэробной переработки органических отходов при получении биогаза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ШАКАРИМА

НАУЧНАЯ РАБОТА

«Повышения эффективности анаэробной переработки органических отходов при получении биогаза»

СЕМЕЙ-2013

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Современное представление о технологии анаэробной переработки органических отходов животноводства

1.2 Физико-химические свойства органических отходов животноводства как субстрата анаэробной переработки

1.3 Анализ конструктивных элементов биогазовых установок

1.4 Методы интенсификации анаэробной переработки органических отходов животноводства

2. Исследовательская (экспериментальная) часть

2.1 Методика лабораторного исследования

Выводы

Список использованных источников

Введение

анаэробный переработка животноводство биогаз

Одним из основных способов утилизации органических отходов растительного и животного происхождения с получением газообразного топлива - биогаза и экологически чистых органических удобрений является биогазовая технология. Она позволяет решить проблему агрохимии, энергетики и экологии.

Применение технологии анаэробной переработки в сельскохозяйственном производстве позволяет решить не только экологические проблемы, которые имеются в животноводческих хозяйствах, но и увеличить рентабельность предприятия за счет получения высококачественных органических удобрений и биогаза, пригодного для получения тепла и электроэнергии. Однако, несмотря на перечисленные выше преимущества, метод анаэробной переработки еще не нашел широкого применения. Это обусловлено рядом факторов; низкой скоростью прохождения процесса метаногенерадии и как следствие, высокой стоимости биогазовых комплексов. При этом низкая скорость процесса сбраживания обусловлена неоднородностью температурного поля, создающегося в биореакторе, и наличием ингибиторов среды.

Для решения данной проблемы может быть использован, метод интенсификации процесса сбраживания на основе биохимического взаимодействия путем создания развитой межфазной поверхности в результате механического измельчения фрагментов биомассы, который позволяет свести к минимуму температурную неоднородность и отводить ингибирующие продукты жизнедеятельности бактерий в биореакторе. Сдерживающим фактором в развитии данного направления является отсутствие комплексных исследований, направленных на обоснование параметров и режимов работы биореактора. В связи с этим исследование анаэробной переработки органических отходов животноводства в биореакторе с развитой межфазной поверхностью является актуальной проблемой, представляющей научный и практический интерес.

Для условий анаэробной переработки органических отходов животноводства экспериментально определено влияние развитой межфазной поверхности на выход биогаза в результате механического измельчения фрагментов биомассы.

Цель исследования. Повышение эффективности анаэробной переработки органических отходов животноводства путем интенсификации процесса сбраживания субстрата в биореакторе.

Объект исследования. Технологический процесс анаэробной переработки навоза КРС в биореакторе, исследуемым элементом которого является исходный субстрат для анаэробной переработки.

1. Литературный обзор

1.1 Современное представление о технологии анаэробной переработки органических отходов животноводства

Анаэробная переработка (биометаногенез или метановое сбраживание) представляет собой процесс разложения органических веществ до конечных продуктов, в основном метана и углекислого газа в результате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганизмов в анаэробных условиях. Однако до сих пор нет полной ясности относительно роли и степени участия в них разных групп микроорганизмов, последовательности отдельных химических и биохимических реакций, определяющих процесс, и их зависимость от факторов среды. Большой вклад в развитие научных знаний о процессе анаэробной переработки органических отходов внесли Андрюхин Т.Я., И.А., Гюнтер Л.И., Дурдыбаев С.Д., Келов К.Н, Кирсанов В.В., Коваленко В.П., Ковалёв Н.Г., Ковалёв А.А., Ковалёв Д.А., Мишуров Н.П., Панцхава Е.С., Пузанков А.Г., Цой Ю.А., Сидыганов Ю.Н., Шамшуров Д.Н., Баадер В., Дубровский В., Евтеев В.К., Мариненко Е.Е. и др. [6,8, 24, 30, 36, 37-38, 27, 48-49, 50-51, 53-55, 56, 57, 76, 103-110, 94-95, 103, 105-108].

Анаэробная переработка считается перспективным методом и представляет большой практический интерес по переработке органических отходов животноводства, поскольку ускоряет его разложение в 10 раз и более по сравнению с традиционным перепреванием в буртах. [23, 30]. В результате процесса сбраживания распаду подвергаются органические вещества, содержащиеся в навозе, с образованием газообразных продуктов в виде смеси 50..70 % метана и 30..50% углекислого газа (биогаза) с теплотворной способностью 21-25 МДж/м³ [23]. При этом он частично или полностью обеззараживается, дегельминтизируется и дезодорируется. Для обеспечения процесса необходимо поддержание температурного режима, затраты на который можно восполнить путем утилизации выделившегося биогаза. Метановое сбраживание минерализует биогенных веществ (азот, фосфор, калий), практически без потерь их в окружающую среду. Биометаногенез позволяет перерабатывать органические вещества с более высокими нормами нагрузки, чем при аэробной обработке, не требует применения химических реагентов для разложения органического вещества. Анаэробное переработка позволяет не только покрывать затраты энергии на ведение процесса, но и получать избыточное ее количество. Получаемая энергия в виде биогаза удобная для пользователя, так как ее можно преобразовать в тепловую, электрическую и механическую. Сброженный шлам, полученный в процессе переработки, лишен неприятного запаха и готов к непосредственному внесению в почву. Технологию анаэробной переработки навоза применяют и для очистки сточных вод предприятий и городов, так как она имеет ряд достоинств по сравнению с распространенным химическим способом, например, биологическая очистка потребляет в 2 раза меньше энергии и в 6 раз дешевле[19, 57]

Согласно современным представлениям, анаэробная переработка включает четыре взаимосвязанных стадии [8, 13, 30, 53, 74; 91];

1. Ферментативный гидролиз нерастворенных сложных органических веществ (белков, липидов, полисахаридов и др.) с образованием более простых растворенных веществ (мономеры, аминокислоты, углеводы и др.);

2. Кислотообразование с выделением короткоцепочечных летучих жирных кислот (ЛЖК), аминокислот, спиртов, а также водорода и углекислого газа (кислотогенная стадия);

3. Ацетогенная стадия превращения ЛЖК, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту, диссоциирующую на анион ацетата и катион водорода;

4. Метаногенная стадия - образование метана из уксусной кислоты, а также в результате реакции восстановления водородом углекислого газа.

Эти реакции протекают единовременно, причем, метанобразующие бактерии предъявляют к условиям своего существования, значительно более высокие требования, чем кислотообразующие. Так, например, они нуждаются в абсолютно анаэробных условиях и требуют более значительного периода времени для их воспроизводства. Скорость и масштабы развития и жизнедеятельности метанобразующих бактерий зависит от их метаноболической активности.

Рисунок 1.1 - Схема анаэробного переработки органических отходов:

1-5-участвующие группы бактерий; 1-ферментативные кислотогены; 2-ацетогены, образующие Н₂; 3-ацетогены, использующие Н₂; 4-метаногены, восстанавливающие СО₂; 5- метаногены, использующие ацетат; I-IV-стадии процесса; I-гидролиз; II-кислотообразование (кислотогенез); III-образование уксусной кислоты (ацетогенез); IV-образование метана (метаногенез)

В процессе анаэробной переработки участвуют пять групп бактерий (рисунок 1.1). К группе 1 относятся ферментативные бактерии, представленные в основном родами Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Clostridium и т.д., осуществляющие стадии ферментативного гидролиза и кислотообразования. Почти все бактерии этой группы относятся кбыстрорастущим факультативным анаэробам с оптимумом pH = 6,5-7,6. Бактерии выделяют в среду биологические катализаторы - экзоферменты, при участии которых и осуществляется гидролиз и перевод твердых нерастворимых соединений в растворимое состояние.

Предпосылкой беспрепятственного размножения бактерий служит наличие питательной среды, которая содержит как углерод и кислород, для обеспечения этого процесса энергией, водород, азот, серу и фосфор - для образования белка, так и щелочные металлы, железо и микроэлементы. При этом эффективность роста бактерий в значительной мере определяется соотношением углерода и азота. Наиболее благоприятные условия соответствуют значениям C/N = 10..Л 6 [12].

Рисунок 1.2. Технологические факторы метаногенерации.

В процессе биометаногенеза участвуют пять групп бактерий, вследствие чего, необходимо всегда рассматривать не отдельные группы бактерий, а все сообщество в целом. Эффективность сбраживания в таком сообществе зависит не только от деятельности организмов, участвующих в данной реакции, но и от жизнедеятельности бактерий, потребляющих продукты этой реакции. Накопление продуктов обмена одной из стадийпроцесса ведет к торможению других. Бактерии, работающие на разных стадиях, имеют свои морфологические и физиологические особенности, выражающиеся в разных скоростях роста, чувствительности к pH и СЬ и др. Все это играет большую роль в создании сбалансированной, эффективно работающей системы. Поэтому при разработке технологических режимов сбраживания органического вещества с целью его переработки с получением биогаза учитывают основные факторы, влияющие на этот процесс. Факторы тем или иным образом влияющие на процесс делятся на несколько категорий:

а) обязательные;

б) постоянные во времени;

в) контролирующие;

г) управляющие;

д) произвольные (рисунок 1.1).

К факторам (Табл. 1.1), являющимися индикаторами нормального прохождения процесса и характеризующим биологическое равновесие между фазами анаэробного сбраживания, предъявляются строгие требования.

Таблица 1.1 - Индикаторы процесса сбраживания

Критерии	Значения критериев нормального процесса	Значения критериев срывного режима
pH	б,8-7,2	<6,7
Температурный перепад, °С	1..2	>2
Летучие кислоты, мг/л	<500	> 1500
Производство газа, м3/кг летучих веществ	0,8-1	<0,5
Снижение концентрации летучих веществ, %	40-50	<30
Пенообразование в метантенке (качественная оценка)	нет	пена
Содержание СОг в газовом выхлопе, %	65-70	<50

Для обеспечения стабильности сбраживания и исключения потери устойчивости между этапами сбраживания, должен поддерживаться строго определенное балансовое равновесие технологических параметров. В противном случае возможно полное блокирование конечного процесса - метанового сбраживания (газ не горит, ил не стабилизируется, появляется гнилостный неприятный запах), а период восстановления технологического режима весьма трудоемок и занимает по времени несколько месяцев [27, 120, 129].

Анализ существующих форм описания микробиотехнологических процессов показал [4], что производительность метанового брожения характеризуется изменением во времени нарастающего количество конечного продукта - биогаза. Математически описание процесса выглядит следующим образом:

, (1.1)

где dG - изменение количества продукта, м³;

di - изменение по времени, с.

Уравнение (1.1) характеризует вид процесса, но не отражает его технологических характеристик. Поэтому в данном случае наиболее применимым является общее уравнение скорости процесса, выраженное через степень превращения основного вещества:

, (1.2)

где к - константа скорости процесса;

С - движущая сила процесса.

Для микробиотехнологических процессов, в частности для анаэробов, движущая сила процесса определяется концентрацией вещества, потребляемого в лимитируемой реакции. Текущая концентрация этого вещества зависит от концентрации органического вещества в сбраживаемой среде.

В условиях сельскохозяйственного производства, в отличие от сбраживания сточных вод, концентрации органического вещества является величиной постоянно и зависит лишь от технологии содержания животных. Из чего следует, что производительность процесса анаэробной переработки определяется константой скорости процесса, Константа скорости процесса выражает зависимость скорости процесса от его физических характеристик. Для процессов, протекающих в кинетической области, а именно таким является процесс метаногенеза, эта зависимость выражается уравнением:

Анализ уравнения (1.3) показывает, что метаболическая активность и репродуктивная способность бактерий метаногенной ассоциации находится в функциональной зависимости от температуры.

Результаты исследований ряда ученых показывают, что для процесса важна стабильная температура сбраживания, а изменение температуры влияет не только на скорость процесса, но не на количественный состав образующихся продуктов [8]. Наибольшее практическое применение получил термофильный режим (50-55 °С) сбраживания, ввиду его максимального энергетического эффекта. В средней части России, в виду сложных климатических условий, в основном применяется менее энергоемкий мезофильный режим (30-35 °С) [27]. Так же для северных территорий разработана технология с применением психофильного режима (10-25 °С) сбраживания [38]. Однако, к перепадам температуры, в особенности к ее внезапным понижениям, микроорганизмы всех групп весьма чувствительны и реагируют на это снижение метаболической активности и способности к воспроизведению. Анализ источников показал, что при термофильном режиме допустимое колебание температур 1 °С, а при мезофильном 2,8 °С.

Преимущество анаэробного метода обработки состоит также в том, что, в отличие от классических аэробных способов биологической обработки, когда все бактерии функционируют в одних и тех же условиях, в правильно организованном анаэробном процессе бактерии разделены - они работают при различных физико-химических условиях. Это позволяет оптимизировать процесс анаэробного сбраживания по производительности, получить возможность управления ими, в конечном счете, повысить качество переработки и стабилизации отходов.

Таким образом, подход к проблеме переработки отходов сельскохозяйственного производства должен решаются требования защиты окружающей среды:

— устранение эмиссии неприятных запахов при получении и хранении отходов;

— предотвращение контаминации продукции, заражения людей и животных возбудителями болезней;

— предотвращение перегрузки почвы, воды и растений концентрированными веществами.

Предпосылкой высокой интенсивности анаэробной переработки служит беспрепятственный обмен веществ на границе раздела фаз, который должен поддерживаться непрерывным обновлением этих поверхностей благодаря перемешиванию субстрата. Однако это можно обеспечить только в том случае, если вязкость субстрата допускает свободу перемещения жидкости, взвешенных твердых частиц, бактерий и пузырьков газа. Верхняя граница концентрации твердых частиц, при которой еще возможно свободное перемещение фаз, для субстрата с мелкодисперсной взвесью твердых веществ соответствует 10...12%. При больших значениях обмен веществ значительно уменьшается. Путем интенсивного перемешивания и соответствующего подвода энергии нежелательный эффект можно существенно ограничить. Все биохимические реакции, протекающие во время сбраживания, прежде всего, зависят от стабильности температурного режима. и активной реакции среды pH. Применения процесса принудительного перемешивания для решения данной проблемы позволит не только свести к минимуму температурную неоднородность, но и позволит также отводит продукты жизнедеятельности бактерий, что необходимо для их роста [66].

Таким образом, главный недостаток анаэробных систем - меньшая скорость реакции по сравнению с аэробными процессами, поэтому требуются промышленные установки больших размеров. К тому же сказывается недостаток научных знаний комплексного изучения микробиохимии и физики происходящий при сбраживании процессов.

1.2 Физико-химические свойства органических отходов животноводства как субстрата анаэробной переработки

В результате текущей деятельности животноводческих ферм, органические отходы в виде навозных стоков, получают в следующих видах [4, 11, 15,31,71,73, 101]:

- подстилочный навоз концентрацией сухих веществ 12-15%, с содержанием древесных опилок и срезанной соломы до 4%. Это обусловлено на подстилочном содержании коров и применением механическим удалением навоза из помещений;

- полужидкий навоз с концентрацией сухих веществ 8%, обусловленный бесподстилочным содержанием животных и применением самосплавном способе удаления навоза;

- жидкий навоз с концентрацией сухих веществ до 3-4%, получаемом при бесподстилочном содержании животных и гидравлическом способе его удаления с применением минимального количества воды;

- навозные стоки с концентрацией сухих веществ 1-2% образуются в целях обеспечения санитарных требований, когда вода применяется для промывки мест содержания животных, навоз удаляется гидравлическим способом из скотомест и навозных стоков, на крупных животноводческих фермах.

В этой связи, поступающий в анаэробную биогазовую установку субстрат по своему физическому составу является многофазной коллоидно-полидисперсной средой, основными частями которой являются твердые и жидкие выделения животных, остатки корма, технологическая вода и газ, образующийся в результате биохимических процессов. Одним из обязательных условий жизнедеятельности метаногенных микроорганизмов является наличие свободной воды в субстрате - более жидкая среда способствует более полному разложению органических веществ. Оптимальная величина концентрации органических веществ, при которой осуществляется сбраживание, в биореакторе является 5-20 %.

Эффективность процесса анаэробной переработки во много зависит от состава субстрата. В табл. 1.2 представлен состав экскрементов КРС используемых в сельскохозяйственном производстве.

Классификация свойств субстрата для анаэробной переработки, основанная на классификации свойств самого навоза и во многом определяются его составом, подразделяется на физические, химические, биологические, коррозионные (рис. 1.3) [72, 113]. Из физических наибольшее значение имеют: общефизические (плотность, удельный вес, удельный объём, влажность); механические (гранулометрический состав); реологические (вязкость, коэффициент поверхностного натяжения, модуль упругости, предельное напряжение сдвига, гидравлическая крупность); органолептические (цвет, запах, вкус); теплотехнические (температура, удельная теплоёмкость, удельная теплопроводность); электрические [63,95].

Богдановым П.В [14] на основе известных данных, были получены формулы для определения удельной теплоемкости Сс, плотности р_с и теплопроводности Хс субстрата поступающего в биореактор:

, (1.4)

где W_c - влажность субстрата, %;

W₀ - влажность при которой влага участвует в процессе теплопроводности, (65%);

С_в - теплоемкость воды, кДЖ/ кг К;

Св - теплоемкость сухого вещества субстрата, кДЖ/ кг К; рв - плотность воды, кг/м³;

С - содержание сухого вещества, %;

Хо - теплоемкость подсушенного субстрата, Вт м/К;

Рисунок 1.3 - Свойства сбраживаемого субстрата

Марченко В.И. [68, 69] дополнительно, в форме регрессионной зависимости, определил динамическую вязкость сбраживаемого субстрата, в зависимости от температуры и содержания сухого вещества. Анализ графиков, показывает, что с увеличением концентрации сухого вещества субстрат начинает обладать структурой и начинает оказывать сопротивление деформации, проявляя свойства пластического материала.

Реологические свойства субстрата на основе органических отходов животноводства характеризуются текучестью, которая определяется динамической вязкостью и предельным напряжением сдвига. Попадающие в навоз безвозвратные потери корма ухудшают текучесть субстрата. Текучесть зависит от степени гомогенизации навоза, т. е. от степени перемешивания кала и мочи. С увеличение влажности от 92-98%, коэффициент динамической вязкости уменьшается от 23 до 20 Па*с, предельное напряжение сдвига от 1,7 до 0,2 Па [8, 57, 89]. Уменьшение вязкости по мере разбавления водой и повышения температуры является одной из основных причин изменения скорости расслоения. Это приводит к образованию осадочного и плавающего слоев с высоким содержанием твердых частиц. Исходный навоз для субстрата одной и той же влажности при скармливании животным кормов с высоким содержанием клетчатки и низким содержанием протеина имеет большую вязкость [9].

Таблица 1.2 - Состав экскрементов животных, % к сухому веществу

Компонент	КРС	Дойные коровы	Свиньи	Куры
Органическая масса	77-88	77-85	77-84	76-77
Азот	2,3-4,0	1,9-6,5	4,0-10,3	2,3-5,7
Фосфор	0,4-1,1	0,2-0,7	1,9-2,5	1,0-2,7
Калий	1,0-2,0	2,4	1,4-3,1	1,0-2,9
Кальций	0,6-1,4	2,3-4,9	-	5,6-11,9
Сырая клетчатка	27,6-50,6	27,6-50,6	19,5-21,4	13,0-17,8
Лигнин	13,0-30,0	16,0-30,0	-	9,6-14,3
C/N	9-15	9-15	9-15	9-15

Химические свойства субстрата характеризуются содержанием сухого вещества. Сухое вещество состоит (Рис. 1.3) из органической части (85-75%) и неорганической (15-25%) [64, 65]. Органическое вещество субстрата включает в себя основные (белки, жиры, углеводы) и структурные вещества (целлюлоза, лигнин, клетчатка, гемицеллюлоза). Так же, в сухом веществе содержатся микроэлементы (Mn, Си, Са, Zn), биогенные соединения (N, Р, К). Органические отходы животноводства содержат 50...70% растворимого азота, который хорошо усваивается растения [89, 98]. Азотсодержащие соединения находятся в твёрдом, растворённом, коллоидном состоянии и могут переходить из одного состояния в другое. Доминирующей формой азота в жидком навозе является аммиачная. Аммиак образуется в анаэробных условиях, главным образом в биохимической деградации белковых веществ разложения мочевины. Содержащийся в экскрементах животных фосфор органических соединений используется растениями лучше, чем фосфор минеральных удобрений. Калий в субстрате представлен исключительно растворимой формой в составе растворимых солей во взвесях и коллоидных частицах.

Биологические свойства субстрата зависят от содержания бактериальных включений (микробов, бактерий, вирусов), яиц гельминтов, семян сорных растений, что может представлять экологическую и агротехническую. Количество биологических включений в исходном навозе может достигать: бактерий (7,1* 10^s шт./мл); яиц гельминтов (5-6 шт./л); жизнеспособных семян сорных растений (9-12 шт./л).

Коррозионные свойства субстрата определяются содержанием коррозионно-активных веществ (углекислоты, растворяющей извести, аммонийного азота, сульфатной и сульфидной серы, хлоридов). Скорость коррозии зависит от влажности, материала с которым он соприкасается, и внешних условий (продолжительности воздействия, температуры и доступа кислорода) [11].

Анализ свойств субстрата на основе органических отходов животноводства используемого для анаэробной переработки, позволяет сделать следующие выводы:

- в настоящее время химические и биологические, а так же часть физических свойств субстрата на основе органических отходов животноводства, имеющих влияние на процесс биологической утилизации, в настоящее определяются, как математически, так и на основе регрессионных моделей;

- несмотря на большой объем работ по изучению свойств субстрата, до настоящего времени не изучены реологические свойства субстрата: кинематическая вязкость и поверхностное натяжение.

1.3 Анализ конструктивных элементов биогазовых установок

Обзор литературных источников показал [8, 30, 55], что большинство исследовательских и промышленных установок представляет собой одинарный реактор, в котором осуществляется сложный физико-биохимический процесс разложения органических веществ. Органические отходы, образующиеся при интенсивном животноводстве, имеют характеристики близкие к характеристикам ила, образующегося при очистке коммунальных сточных вод с высоким содержанием нерастворимых твердых частици компонентов.

Рисунок 1.4 - Технологическая схема биогазовой установки для анаэробного сбраживания: 1 - источник отходов; 2 - навозоприемник; 3 - насос; 4 - биореактор; 5 - газгольдер; 6 - газоразделительный блок; 7 - хранилище для удобрений

Типовая технологическая схема анаэробного сбраживания навозных органических отходов представлена на рисунке 1.4. Органические отходы из животноводческих помещений поступает в накопительную емкость, где они доводятся до оптимальной влажности, далее фекальным насосом субстрат перемещают в биореактор, где осуществляется их анаэробная переработка. В результате процесса брожения образуется биогаз. Из биореактора биогаз поступает в газгольдер и далее к потребителю. Сброженный субстрат выгружают в хранилище для удобрений.

Объем биореактора рассчитывается в соответствии с заданными гидравлическими расчетами времени пребывания субстрата в биореакторе, в частности в связи с привязкой каждой биореакторной установки к соответствующему животноводческому комплексу объем биореактора определяется по максимальному выходу органических отходов.

Однако главным звеном биогазовой установки является биореактор, от которого в основной мере зависит производительность переработки отходов. Биореакторы должны иметь герметичные стенки, совершенную теплоизоляцию и быть коррозионно-стойкими, прочными, а также удобными для обслуживания. При выборе формы, размеров и конструкции биореактора исходят из массового расхода субстрата при заполнении, заданного выходы газа или степень сбраживания субстрата. На работу установки существенную роль также оказывают форма реактора и применяемые строительные материалы. Наиболее характерные формы камер показаны на рисунке 1.5.

С точки зрения статической прочности, создания условий для перемещения жидкого субстрата (затрат энергии на перемешивание), отвода осадков и разрушения плавающей корки, в отличии от цилиндрических и цилиндрическо-конических, предпочтительным представляется использование овального резервуара. Однако в крупных установках его делают только из бетона. Поэтому высокая стоимость изготовления таких резервуаров существенно ограничивает их применение. В то же время для меньших объемов (около 30 м³) можно изготовлять реакторы такой же формы из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном (склопластика). Данные резервуары в будущем находят все большее применение в сельскохозяйственных биогазовых установках. К преимуществам так же можно отнести относительно простую технологию изготовления, которая опирается на обобщенный опыт строительства емкостей для сельскохозяйственных целей (стальные, бетонные, стеклопластиковые силосы для консервирования кормов, зерно- и навозохранилища).

Применение наклонно-горизонтальных резервуаров, в отличии от остальных применяют разделение поперечной перегородкой из теплопроводных материалов на две или более камер, что позволяет сэкономить по сравнению с затратами необходимыми для изготовления двух отдельных резервуаров, а так же улучшается теплопередача между отдельными камерами через перегородку. Встраивание в эту перегородку нагревательных элементов дает энергетические и конструктивные преимущества. Но установки этого типа не позволяют получить высокую степень разложения субстрата, так как в них не обеспечивается, ни равномерное перемешивание массы, ни управление загрузкой рабочего объема камеры и времени пребывания массы в реакторе, что необходимо для получения максимального выхода газа.

Рисунок 1.5 - Формы камер сбраживания

Анализ конструктивных решений позволил классифицировать биогазовые установки по различным признакам, которые представлены на рисунке 1.6. Классификация дает наглядное представление о существующих и предлагаемых методах переработки биоорганических отходов, а также конструктивных особенностях установок.

Рисунок 1.6 - Классификация биогазовых установок

Для инициирования процесса роста микроорганизмов, биогазовые установки оснащаются нагревательными устройствами. Чтобы получить необходимую для процесса брожения температуру и по возможности поддерживать ее на постоянном уровне, следует, прежде всего, обеспечить подогрев подаваемого в реактор субстрат до заданной температуры, а также дополнительный подвод тепла необходимого для компенсации тепловых потерь. Поскольку перепады температуры отрицательно влияют на ход биологического процесса, необходимо по возможности сочетать подвод теплоты с интенсивным перемешиванием.

Нагреватели, встроенные в стенки реактора целесообразно применять с точки зрения их КПД лишь в том случае, если они могут передавать теплоту субстрату с обеих сторон стенки. Равномерную передачу теплоты субстрату можно обеспечить с помощью теплообменников, расположенных вне реактора. Однако их следует применять только в сочетании с системой принудительной циркуляции субстрата, что влечет за собой соответствующее повышение затрат, но позволяет надежно регулировать температуру брожения. Эта система подогрева имеет преимущества в том, что благодаря одновременному подогреву и перемешиванию свежего и циркулирующего субстрата разница между температурами поступающего в камеру и уже имеющегося там субстрата будет незначительной. Кроме того, надежно поддерживается скорость субстрата, необходимая для предотвращения выпадения твердого осадка на поверхностях теплообменника. И, наконец, расположение теплообменников вне рабочего пространства реактора значительно облегчает доступ к ним для обслуживания и ремонта.

Для небольших реакторов с перемешивающими устройствами пригодны рекуперативные теплообменники, которые могут быть расположены в цилиндрической рубашке шнека смесителя, по периметру камеры в виде змеевика

Перспективными являются теплообменники, предназначенные для подогрева загружаемой в реактор массы путем вторичного использования запасенной отводимой субстратом теплоты. Это можно было бы осуществить либо путем прямой теплопередачи с помощью помещенного в шлам теплообменника, либо посредством теплового насоса, оснащенного конденсатором или испарителем, конструкция которого в каждом конкретном случае должна определяться свойствами субстрата, В вопросе использования энергии для поддержания температурного режима биореакторов актуальным встает вопрос использования иных альтернативных источников энергии. Для подвода тепловой энергии целесообразно в этом случае использовать тепловые насосы, тепло отработавших газов и тепловой рубашки генераторов, теплоту солнечных коллекторов. Электрическую энергию возможно использовать от солнечных генераторов и ветрогенераторов, мини ГЭС (поскольку животноводческие комплексы строятся у проточных источников воды) и др. Постановка вопроса таким образом позволяет комплексно решать задачи утилизации вторичных ресурсов и независимым обеспечении животноводческих комплексов энергией и создавать энергетические комплексы. В этой связи необходимо решить вопросы аккумулирования и согласования энергетических источников и потребителей.

Широкое применение при функционировании биореакторных комплексов находят системы автоматического регулирования, которые обеспечивают непрерывный контроль параметров и соблюдение оптимальных режимов протекания процессов сбраживания.

Существующие на данный момент биогазовый установки ориентированы на поддержание лишь температурного режима при помощи тепловой рубашки. Однако в метантенке создается неоднородное температурное поле, которое значительно снижает скорость сбраживания, так как колебания температуры более 2 °С приводит к снижению роста бактерий. Применения баротажного (газового) перемешивающего устройства для решения данной проблемы позволит не только свести к минимуму температурную неоднородность, но и позволит также отводит продукты жизнедеятельности бактерий, что необходимо для их роста. Применение в настоящее время механических и гидравлических систем перемешивания не позволяют в полной мере выполнить данную задачу. Адаптивные системы автоматического регулирования не только технологических, но и биологических параметров в настоящее время не созданы. Существующие же автоматические регуляторы лишь поддерживают один параметр, не учитываю другие не менее важные показатели. Для аккумулирования биогаза применяют газгольдеры (рис. 1.10). По технологическим причинам биогаз накапливают в течение длительного периода. В сельскохозяйственном производстве применяют газгольдеры высокого давления, мокрые низкого давления колокольного типа, сухие низкого давления манжетного типа, оболочковые низкого давления.

Рисунок 1.7 - Схемы газгольдеров: а - сферические высокого давлении; б - мокрые одноподьемного низкого давления; в - сухие низкого давления манжетного типа; г - оболочковые низкого давления; 1 - колокол; 2 - емкость; 3 - газопровод; 4 - груз; 5 - манжета; 6 - резервуар; 7 - кожух; 8 - плита

Для газгольдеров высокого давления (0,8-1,0 МПа) выбирают резервуары сферической формы (рисунок 1.7 а), Рассчитаны они на максимальное давление до 1,8 МПа, вместимость их 10 - 100 тыс. м³. Строят и небольшие (на 10-20 м³) газгольдеры высокого давления. Преимущество рассматриваемых аккумуляторов газа - отсутствие движущихся частей, недостаток - необходимость в компрессорной установке. Чтобы использовать газ из такого аккумулятора, давление его необходимо понизить до 1 кПа. На газгольдеры данного типа распространяются все требования безопасности труда, предъявляемые Ростехнадзором при работе с резервуарами высокого давления.

Мокрый газгольдер низкого давления (менее 5 кПа) колокольного типа (рисунок 1.7 б) вмещает 500-300 тыс. м газа. До вместимости 1500 м³ их делают, как правило, одноподъемными, при большей вместимости - одноподъемными. Зимой такие газгольдеры приходится отапливать из-за опасности замораживания.

Сухой газгольдер низкого давления манжетного типа (рисунок 1.7 в) отличается тем, что для сохранения постоянного давления газа он имеет уплотняющую манжету, на которую действует груз, перемещающийся параллельно самому себе (газгольдеры дискового типа имеют диск, который может двигаться относительно стенок и сохранять положение, параллельное первоначальному).

Такие газгольдеры выпускают вместимостью 200 - 300 тыс. м, но могут быть и 50 м³. Рабочее давление газа в них 2-5 кПа. Основание газгольдеров можно герметизировать с помощью пленки. В среднем такие газгольдеры дешевле мокрых на 20%.

Оболочковый газгольдер низкого давления (рисунок 1.7 г) строят на фундаментной плите средней прочности. Емкостью для газа служит герметическая оболочка. Груз, перемещающийся параллельно самому себе, оказывает на нее постоянное давление. Для защиты от повреждений газгольдер устанавливают в специальном кожухе. Газгольдеры могут быть встроенными в корпус реактора. Такие аккумуляторы, как правило, рассчитаны на давление менее 5 кПа.

Перспективным направление в конструировании газгольдеров является их использование для нагнетания давления, как в систему сжигания биогаза, так и для подачи биогаза в систему пневматического перемешивания. Это использование к тому же имеет преимущество, поскольку является пожаробезопастным, так как исключает использование электрических насосов для перекачки биогаза.

Исходя из вышеизложенного, развитие в области анаэробной переработки органических отходов производства и переработки сельскохозяйственной продукции должно идти в направлении разработки систем с большой биологической активностью, проектирования более компактных аппаратов при одновременном регулировании кинетики, микробиологического и биохимического механизмов процессов сбраживания. Принцип работы биогазовой установки должны основываться на точном поддержании и корректировки, исходя из сложившихся факторов, биотехнологических параметров системы в целом. Системы пневматического перемешивания и регулирования параметров, газгольдеров для нагнетания давления, позволяет безопасно контролировать все стадии анаэробного сбраживания, производит отвод продуктов сбраживания и устанавливать точный температурный режим во всем объеме биореактора.

1.4 Методы интенсификации анаэробной переработки органических отходов животноводства

Экономическая эффективность анаэробной переработки в основном определяется производительностью биоэнергетических установок, в частности биореакторов. Продуктивность при анаэробных условиях (без доступа кислорода) определяется скоростью роста микрофлоры в биореакторе. При этом метанообразующая стадия сбраживания характеризуется низкими темпами разложения органического вещества бактериями, что увеличивает длительность переработки. Вследствие чего низкая скорость протекания процесса анаэробной переработки лимитирует объем перерабатываемых отходов. Поэтому возникает необходимость проектирования больших по объему биогазовых установок и соответственно повышению капиталовложений на их строительство и обслуживание. В связи с этим необходимо ускорить период сбраживания. Особую актуальность поставленная задача приобретает на стадии проектирования мобильных биоэнергетических установок, когда необходимо добиться максимального выхода биогаза в биореакторах с ограниченными конструктивными параметрами [22, 103].

Решением поставленной задачи является интенсификация анаэробной переработки, при этом происходит улучшение качества биогаза за счет создания оптимальной для сбраживания среды [5, 120, 121]. В настоящее время известны физиологические и технологические методы интенсификации процесса анаэробного сбраживания. Гранулообразование (флоккуляция), седиментация относится к физиологическим методам. Технологическая интенсификация процесса анаэробного сбраживания предусматривает увеличения температуры брожения, введения химически активных соединений-стимуляторов роста микроорганизмов, применение селективной микрофлоры, интенсификации массообмена, увеличения концентрации микроорганизмов в единице объема реактора, разделением процесса на стадии [36, 63].

Одним из них является разделение процесса биоразложения на две стадии: преимущественно кислотное брожение и метановое брожение. Однако технологическому процессу в этом случае предъявляются достаточно высокие требования к степени изоляции бактериальных сред разных стадий. К тому же ступенчатое сбраживание не дает существенных преимуществ по выходу биогаза по сравнению с одноступенчатым процессом при равных объёмах метантенков. В России ступенчатое сбраживание не нашло применения, вследствие больших сложностей их эксплуатации при образовании на второй ступени плотной всплывающей корки и заполнения конуса песком [15].

При равных условиях (температура брожения, число ступеней реакторов и т.д.) наибольшее влияние на интенсивность сбраживания оказывают активная биомасса организмов и массообмен [5, 12, 13].

Широкое применение нашел метод увеличения концентрации микроорганизмов в метантенках, путем возврата активной биомассы содержащей анаэробные бактерии обратно в реактор или удержания микроорганизмов в реакторе. Бактерии в этом случае являются активной средой для размножения во вновь загружаемом сырье следующего цикла анаэробной переработки. Возможно удержание активных бактерий в метантанках при помощи анаэробных фильтров. Аналогом данного метода, более простым в применении и эксплуатации, дающим интенсивное протекание процесса обеспечивается при предварительном обсеменении исходной массы культурами анаэробных бактерий, участвующих в процессе сбраживания. Так как метанобразующие бактерии размножаются очень медленно, в данном случае для интенсификации процесса субстрат обсеменяют метановыми анаэробными бактериями. Для этой цели исходный субстрат смешивают со сброженным 1:1.

Предпосылкой высокой интенсивности реакции служит беспрепятственный обмен веществ на границах поверхностей фаз, который должен поддерживаться непрерывным обновлением этих поверхностей благодаря перемешиванию субстрата. Массообмен в биореакторах позволяет улучшить контакт метаногенных организмов с субстратом, поддержание однородной температуры биомассы, препятствует образованию плавающей корки и осадка в нижней части биореактора [13].

Практика показывает, что внутри биореактора не удается создать однородного температурного поля в виду несовершенства способов и систем

Рисунок 1.8 - Изотермические поверхности: t+At; t-At - изотермы; п - нормаль.

Наличие градиента температур является причиной неоднородности температур в объеме субстрата. Формирование температурной неоднородности формируется у поверхности теплоносителя. В результате чего образуется слой (8), в котором происходит основное изменение температуры от значений tc - температуры теплоносителя до ts - температуры ядра сбраживаемого субстрата (Рис.1.9).подогрева, а так же особенностей теплопередачи в ней.

Внутренний механизм явлений теплопереноса описывается на основе молекулярно-кинетических представлений: перенос энергии осуществляется вследствие теплового движения и энергетического взаимодействия между частицами. Вследствие чего, температура является функцией координат х и у при установившемся процессе:

t = f(x,y) (1.5)

Одинаковые температуры точек сбраживаемого субстрата образуют изотермические поверхности, которые не пересекаются (рисунок 1.8). В результате чего резкое изменение температуры получается в направлении нормали п, в результате чего образуется температурный градиент:

Рисунок 1.9 - Схема процесса теплообмена между сбраживаемой средой и поверхностью теплоносителя в биореакторе: q - тепловой поток; t_c - температура сбраживаемой среды у стенки; 1_Я - температура ядра сбраживаемой среды; At - перепад температур;

Тогда справедливо условие:

внутри теплового пограничного слоя

на внешней границе

При неоднородном температурном поле в сбраживаемом объеме скорость метаногенеза будет ограничиваться из скоростей процесса в точках сбражвиаемой среды с различной температурой. Отличие температур в этих точках от оптимальной заметно снижает микробиологическую активность бактерий, а значит и общую скорость процесса.

Устройства для перемешивания играют роль механизмов равномерного распределения частиц органического субстрата и градиента температуры по всему объему. Анаэробные микроорганизмы реагируют на кратковременное изменение избыточного давления среды, вызываемого перемешиванием субстрата. При высокой скорости относительного перемещения слоев оболочки микроорганизмов разрываются, поэтому перемешивающие устройства должны обеспечить скорость движения субстрата не более 0,5 м/с.

Рисунок 1.10 - Способы перемешивания субстрата в биореакторах

Известны три типа перемешивающих устройств (рис. 1.10): механические, гидравлические и пневматические. Механическое перемешивание является наиболее доступным при конструировании биогазовых установок, но в то же время при его работе образуются застойные зоны, в которых скапливаются осадки. При выходе из строя механических мешалок возникает необходимость в демонтаже метантенка, что требует высоких трудовых затрат. Гидравлический и пневматический типы позволяют производить перемешивание за счет рециркуляции субстрата и полученного биогаза через сбраживаемый субстрат. При гидравлическом перемешивании приходится перекачивать до пяти объемов перерабатываемого субстрата, что приводит к высоким затратам на содержание установки. Эффективных методов полного перемешивания содержимого реактора, является хорошо известный способ диффузии газа (барботаж). Биогаз сначала сжимается компрессором и подается в нижнюю часть реактора, откуда пузырьки газа с большой скоростью поднимаются верх и перемешивают массу в реакторе, освобождая последние от продуктов метаболизма - маленьких пузырьков биогаза.

Таким образом, осуществляется необходимая дегазификация осадка и высокая степень перемешивания массы, т.е. обеспечивается баланс концентрации веществ и температура субстрата во всех точках реактора. Пневматическое перемешивание позволяет создавать благоприятную обстановку для жизнедеятельности бактерий, участвующих процессе анаэробной переработки. Такое перемешивание в большинстве случаев совмещают с подогревом рециркулята [66].

Существует метод интенсификации процесса метанового брожения, основанный на внесение в сбраживаемую среду различных добавок, ускоряющих период сбраживания, а так же увеличивающие выход и качество биогаза [44], При всей кажущейся простоте данного метода следует отметить, что ввод добавок должен быть научно обоснован не только от конкретных параметров субстрата, но и в зависимости от показателей технологического процесса в период сбраживания.

Анализируя процесс сбраживания, отбросив факторы, мало влияющие на развитие бактерий, видно, что в основе всех стадий переработки лежат управляемые биохимические процессы превращения веществ как внутри микроорганизмов, так и вне них. Сложные биохимические процессы обеспечивают получение требуемого количества продуктов жизнедеятельности бактерий, выход которых зависит от скорости процесса. В общем, скорость процесса определяется скоростью одного из составляющих элементарного процесса, которая протекает медленней других (метаногенерация).

Все вышеизложенные методы позволяют определить эффективные и экономически целесообразные пути ускорения периода сбраживания. Необходимо комплексно применять строгое поддержание технологических факторов процесса: однородную температурную среду и оптимальную микрофлору субстрата в биореакторе. Для этого наиболее целесообразно для данной задачи применять барботажное перемешивание, которое позволяет комплексно снижать отрицательное действие температурной неоднородности и ингибирования метановых бактерий.

2. Исследовательская (экспериментальная) часть

В данной работе приводятся результаты экспериментальных исследований повышения эффективности процессов биохимического взаимодействия путем создания развитой межфазной поверхности в результате механического измельчения фрагментов биомассы.

Оборудование:

1. Термостат суховоздушный с контрольным ртутным термометром с ценой деления 0,2 градуса.

2. Газовый счетчик большой лабораторный ГСБ-4.

3. Емкости по 1 л (1дм³) из полипропилена.

4. Соединительные трубки силиконовые.

Из вышеперечисленного оборудования смонтирована и запущена в работу установка для определения количества вырабатываемого биогаза из помета.

Общий вид установки показан на фотографии (рис. 6).

Методика проведения исследований:

- приготовление сухого субстрата биомассы (навоз КРС) заданных размеров;

- измерение размеров частиц при помощи измерительного микроскопа;

- приготовление рабочего раствора (субстрата) заданной влажности (92-96%);

- размещение субстрата в термостатирующее устройство, обеспечивающее соответствующий температурный режим (психрофильный, мезо- либо термофильный);

- непрерывный отбор и регистрация количества и состава биогаза.

Фрагментирование исходного сырья (навоза КРС) осуществлялось в осушенном виде тремя методами:

а) ручное измельчение в ступке - размер фрагментов 1-5 мм;

б) механическое измельчение в размолочной машине - размер фрагментов 0,5-2 мм,

в) высокоскоростной помол в электромеханическом блендере - размер фрагментов 0,1-0,5 мм.

Описание эксперимента.

Исследования проводились в лаборатории кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика» Семипалатинского государственного университета имени Шакарима.

Субстракт (размер фрагментов 1-5 мм) в объеме 1 дм³ помещали в 1 литровую полипропиленовую (ПЭТ) бутылку. В крышке (бутылки) прорезали отверстие и вставляли силиконовую трубку, с условием плотного соединения, для обеспечения герметичности всех стыков.

Бутыль с пометом помещали в термостат, выводили силиконовую трубку и подсоединяли ее к газовому счетчику, так же обеспечивая плотное соединение со штуцером счетчика, из газового счетчика выводили силиконовую трубку и подсоединяли ее к вытяжки, для сброса газа в атмосферу.

В термостате выдерживали температуру 20 ^оС в течение десяти суток, затем ежедневно в течение десяти суток из емкости удаляли 0,1 л (0,1 объема емкости) субтракт и дополняли освободившийся объем таким же количеством свежего субстракта, при этом фиксировали показания газового счетчика, и записывали данные в таблицу. Через каждые 20 суток эксперимент повторяли с субтрактом размер фрагментов 0,5-2 мм и температура 30 ^оС; размер фрагментов 0,1-0,5 мм и температура 55 ^оС

Для каждого значения температуры и размера фрагментов субстракта брали свежие пробы и помещали в термостат. В течение каждой серии исследований (20 суток) ежедневно в одно и то же время регистрировали количество (объем) образовавшегося биогаза по показаниям газового счетчика ГСБ-4.

Таким образом, учет образования биогаза при одной температуре производили в течение 20 суток, в том числе с 1 по 10 сутки - подготовительный период (сбраживание помета), с 11 по 20 - контрольный период (технологический).

Результаты исследований

Исследование влияния размера фрагментов биомассы на эффективность процесса метанового брожения

В результате проведенного эксперимента установлен рост выхода биогаза при повышении температуры. График представляет собой возрастающую кривую, имеющую выпуклость вверх, причем рост ее с повышением температуры замедляется.

Рис.2.1. Выход биогаза при повышении температуры на лабораторной установке:

а) размер фрагментов 1-5 мм;

б) размер фрагментов 0,5-2 мм,

в) размер фрагментов 0,1-0,5 мм.

1, 2, 3 -температуры субстрата 20, 30, 55 °С соответственно;



Рис.2.2. Относительное изменение эффективности конверсии биомассы от продолжительности процесса: 1, 2, 3 - температуры субстрата 20, 30, 55 °С

Анализ полученных зависимостей указывает на значительную интенсификацию процесса газовыделения, проявляющуюся как в сокращении времени, так и в повышении объема выхода биогаза. Эффект интенсификации имеет место как при психрофильном, так и при мезофильном и термофильном режимах.

Результаты эксперимента

Выход биогаза т водного органического субстрата куриного помета
№ опыта	Обработанного высоковольтным разрядом	Не прошедшего обработку
	Т, сут	Выход биогаза л	Г, сут	Выход биогаза л
1	0	0	0	0
	5	1=7	5	0
	10	2,4	10	0
	15	3,5	15	1,20
	20	* 12,3	20	2,92
	25	21,5	25	2,80
	30	22,7	30	2,30
	32	22,3	32	2
2	5	1,0	5	0
	10	1,8	10	0
	15	2,8	15	0,8
	20	10,3	20	1,8
	25	19,2	25	2,6
	30	20,3	30	2,1
	32	20,1	32	1,9
3	5	0,5	5	0
	10	1,0	10	0
	15	2,1	15	0,65
	20	7,5	20	1,60
	25	' 17,3	25	2,32
	30	18,0	30	1,85
	32	17,6	32	1,65

2.1 Методика лабораторного исследования

Лабораторная установка по определению выхода газа из жидкого субстратав зависимости от температуры протекания процесса состоит из суховоздушного термостата, газового счетчика, емкости из полипропилена, соединительных силиконовых трубок.

Объект исследования. Навоз КРС, имеет вязкую структуру, редкие включения из продуктов кормления, составляющих рацион животных.

...