Разработка ферментера для переработки жидких отходов животноводства в удобрение и алгоритм его инженерного расчета тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.23, кандидат технических наук Ерина, Татьяна Эдуардовна

• Ерина, Татьяна Эдуардовна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ерина, Татьяна Эдуардовна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Технологии переработки отходов животноводства в органическое удобрение.

1.1.1. Характеристика отходов животноводческих предприятий.

1.1.2. Механические и физико-химические методы обработки отходов животных.

1.1.3. Биологическая переработка отходов животных.

1.2. Аппаратурное оформление процессов аэробной переработки отходов животноводства в удобрение.

1.2.1. Емкости.

1.2.2. Установки с транспортерными лентами.

1.2.3. Барабаны.

Глава 2. Экспериментальное исследование аэробного процесса переработки навозных стоков.

2.1. Получение лабораторных образцов проферментированного навоза и исследование эффективности их использования при выращивании растений.

2.2 Исследование кинетики процесса с использованием штамма

Endomycopsis fibuligera.

Глава 3. Разработка и испытание лабораторной модели ферментера для переработки жидких навозных стоков объемом 100л.

3.1. Основные задачи и методы экспериментального исследования модели лабораторного ферментера объемом 100 л.

3.2. Результаты экспериментального исследования модели аппарата.

Глава 4. Разработка алгоритма и метода инженерного расчета ферментера для переработки жидких отходов животноводства.95.

4.1. Общая схема и алгоритм инженерного расчета ферментера.

4.2. Расчетные зависимости и результаты расчета ферментера 1 Ом3.

Глава 5. Разработка технической документации опытнопромышленного ферментера, объемом 10 м3.

5.1. Описание работы ферментера.

5.2 Основная поузловая конструкторская документация на ферментер Юм3.

Глава 6. Разработка технологической схемы аэробной переработки жидких навозных стоков.

6.1 Расчет основных параметров и разработка технолого-аппаратурной схемы установки производительностью 3 т/сутки.

6.2 Оценка технико-экономической эффективности установки с ферментером Юм3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка ферментера для переработки жидких отходов животноводства в удобрение и алгоритм его инженерного расчета»

В нашей стране ежегодное накопление органических отходов в животноводстве и птицеводстве составляет около 200 млн. т. Причем основная масса представлена навозом животных и пометом птиц. Согласно имеющимся данным, объем питательных веществ, содержащихся во всех животноводческих стоках, эквивалентен 2,2 млн. т азота, 1 млн. т фосфора и 2 млн. т калия. Для сравнения можно указать, что это в 4 раза превышает количество загрязнении от сточных вод пищевой промышленности и хозяйственно-бытовых стоков объемом 14,8 млн. м3 в год. Таким образом, известный вывод, что животноводческие комплексы являются даже более опасными для окружающей среды, чем крупные промышленные предприятия очевиден.

В связи с разнообразием территориальных, климатических, почвенных и других специфических условий и особенностей строительства животноводческих комплексов в России проблема утилизации отходов в настоящее время до конца не решена. Сложность реализации инженерно-технических задач удаления, транспортирования и обработки животноводческих отходов выдвинули проблему создания эффективных способов полезной утилизации навоза и помета и задачу их аппаратурного оформления, способных обеспечить охрану окружающей среды. Известные методы, используемые для обработки навоза и помета и их очистки, разделяются на: механические, физико-химические, биологические и комбинированные. Наиболее эффективными считаются методы, связанные с биологической переработкой навоза и помета. В этой связи, разработка новых технических решений для реализации биотехнологических процессов является актуальной и важной научно-технической задачей.

Целью данной работы является разработка нового аппарата для аэробной ферментационной переработки отходов животноводства с последующим получением органоминерального удобрения.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ и систематизацию известных методов и аппаратов, используемых при биотехнологической переработки отходов животноводства;

- провести экспериментальное исследование процесса аэробной ферментации навозных стоков и определить кинетические параметры процесса;

- разработать лабораторную модель аэробного ферментера объемом 100л для ферментационной переработки жидкофазных (гидросмыв) отходов;

- исследовать массообменные, гидравлические и энергетические характеристики лабораторной модели ферментера предложенной конструкции;

- разработать метод и алгоритм инженерного расчета технологических и конструктивных параметров нового ферментера для переработки жидких навозных отходов и провести расчет опытно-промышленного аппарата объемом Юм3; провести разработку конструкторской документации для изготовления опытно-промышленного ферментера объемом 10 м3 и ее согласование с изготовителем;

- создать опытно-промышленный образец аэробного ферментера для ферментационной переработки жидкофазных (гидросмыв) отходов животноводческих и птицеводческих комплексов и провести его модельные испытания; разработать технолого-аппаратурную схему производства биоорганических удобрений с использованием аэробного ферментера для переработки жидких навозных отходов и оценить экономическую эффективность производства.

Заключение диссертации по теме «Биотехнология», Ерина, Татьяна Эдуардовна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ научной и патентной литературы позволил систематизировать варианты аппаратурного оформления процесса переработки навозных отходов и обосновать актуальность разработки нового аэробного ферментера с низкими энергозатратами.

2. Разработан технологический процесс аэробной ферментации жидких навозных стоков с применением эффективного штамма Endomycopsis fibuligera ВСБ-12 и в вегетативных опытах показана эффективность применения проферментированного навоза.

3.Исследована кинетика процесса ферментации и установлены значения коэффициентов математической модели (jim =0,18ч"1, Кр=0,08г/л ), а также расчетное время ведения процесса составившее 75 часов.

4. Предложен новый ферментер для аэробной ферментации навозных отходов, содержащих до 15% сухих веществ и на лабораторной модели объемом 100 л изучены его массообменные и гидродинамические характеристики, подтвердившие теоретически обоснованный принцип эффективного взаимодействия фаз в данной конструкции аппарата.

5. Разработан алгоритм и метод инженерного расчета ферментера, позволяющий осуществлять масштабный переход и применительно к аппарату с рабочим объемом 10м3 проведен расчет технологических и конструктивных параметров.

6. Разработан комплект технической документации на ферментер с рабочим объемом 10м3 на основе которого изготовлен опытно-промышленный аппарат смонтированный на агрокомплексе по производству компостов.

7. Проведенные на реальной навозной среде испытания изготовленного ферментера подтвердили эффективность и устойчивость его работы, а также энергетическую эффективность: при удельных энергозатратах 0,3 кВтч/кг 02 на весь процесс ферментационной переработки затрачивается 30 кВт на 1 тонну навозных отходов.

8. Предложена экологически рациональная технолого-аппаратурная схема переработки навозных стоков в новом разработанном ферментере с последующим получением биоорганического удобрения (биокомпоста 50% влажности) и определена ее экономическая эффективность, срок окупаемости установки 1,3 года.

9. Выполненные в ходе исследований разработки защищены 4 патентами РФ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ерина, Татьяна Эдуардовна, 2006 год

1. Васильев В.А., Полунин С.Ф. Химический состав навоза, получаемого на крупных животноводческих комплексах промышленного типа.// Бюл. ВИУА, 1976, №32, с.37-45.

2. Мироненко М.А. Крупные животноводческие комплексы и окружающая среда. М.: медицина, 1980. - 255с.

3. Бородин И.А. Автохтонная микрофлора птицы. (Обзор).// Птицеводство, 1992, №6, с.20.

4. Макаров В.А., Боровков Я.Ф. Санитарно-гигиенические характеристики животноводческих отходов.// Вопросы ветеринарной науки и практики, 1977, вып.39, с.118-120.

5. Мироненко М.А., Махонько Н.И. Гигиеническое обоснование нормативов санитарно-защитных зон для крупных птицеводческих комплексов на промышленной основе. В кн.: Гигиенические вопросы современных животноводческих комплексов. - Саратов, 1976, с.9-12.

6. Усачева И.Г., Поляков А.А. Эпизоотические и гигиенические аспекты уборки навоза и обеззараживания сточных вод на крупных промышленных фермах. М.: ВНИИТЭИСХ, 1972, с.З -71.

7. Гришаев И.Д. Ветеринарно-санитарные и гигиенические требования к сооружениям по обработке, обеззараживанию и использованию стоков животноводческих ферм и комплексов.// Санитария и гигиена животных. М.: Колос, 1981, с.36-41.

8. Черепанов А. Гельминтологическая характеристика животноводческих сточных вод и санитарные правила их использования.-В кн.: Использование животноводческих стоков для орошения.-Вильнюс, 1977, с.119-121.

9. Александров Е.Н., Стадлев В.Ф., Кауфман Г.М. Переработка отходов различных отраслей народного хозяйства микробиологическими методами. Обзор. М., ОНТЭИмикробиопром, 1982. - 55 с.

10. Ю.Брухман Э.Э. Прикладная биохимия. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 293с.

11. Брук-Левинсон Т.Л., Прибыльская В.М., Зазорин В.М. Основные направления очистки и утилизации сточных вод крупных животноводческих комплексов. Водоотведение и оценка качества поверхностных вод. Минск: Наука и техника, 1983, с.119-127.

12. Баубинас А.К. Эффективность почвенной очистки стоков животноводства. В кн.: Микробиология и производство. -Вильнюс, 1981, с.229-232.

13. Васильев В.А., Швецов М.М. Применение безподстилочного навоза на удобрение. М.: Колос, 1983 - 174с.

14. Вороницкий И.А. Способы переработки и утилизации жидкого навоза.// Техника в сельском хозяйстве, 1980, №11, с.23-24.,16.

15. Всесоюзное координационное совещание по биологической переработке навоза. Новосибирск, 1978. 25с.

16. Лер Р. Переработка и использование сельскохозяйственных отходов. М.: Колос, 1979. - 415с.

17. Полонский В.Н. Предотвращение загрязнения окружающей среды отходами животноводства.// Птицеводство, 1993, №2, с.12.

18. Ходченко К.Н. Решение проблемы.// Птицеводство, 1996, №4, с.31.

19. Международная заявка № 92/00259, РСТ, Способ и устройство для получения органического удобрения, 1992.

20. Патент № 1713902, СССР, Способ сушки птичьей пометной пастообразной массы, 1992.

21. Владимирский А. А. Установка для сушки помета.// Птицеводство, 1992, №12, с.28.

22. Патент № 472923, СССР, Способ приготовления удобрений из органических отходов, 1975.

23. Носков В.К. Технология промышленной переработки помета.// Птицеводство, 1991, №2, с.24.

24. Патент № 1749217, СССР, Способ получения удобрения из птичьего помета, 1992.

25. Зайцев П.К. Система уборки помета с аэрациией.// Птицеводство, 1995, №2, с.36.

26. АН L., Hegazi A., El-Sagheer-Ahmed М. Bacteriological evaluation of dried poultry waste in poultry rations // Биотехнол. и биотехн.Б. 1992. т.6. №4. c.12-13.27.3аявка № 27860, Польша, Комплексное удобрение, 1992.

27. Андреева Н.М. Комбинированные органические удобрения из отходов птицеводства. Химия в сельском хозяйстве, 1996, №6, с.ЗЗ.

28. Патент № 1573018, СССР, Способ получения суспендированного жидкого комплексного удобрения, 1990

29. Патент № 1542944, СССР, Органоминеральное удобрение, 1990.

30. Патент № 1604813, СССР, Способ получения органоминерального удобрения, 1991.

31. Пушков П.К. Переработка помета.// Птицеводство, 1996, №3, с.23.

32. Патент № 478829, СССР, Способ приготовления органического удобрения и корма из птичьего помета, 1975.

33. Патент № 300953, Германия, Способ и аппаратура для переработки экскрементов животных, навозной жижи и птичьего помета, 1994.

34. Патент № 298123, Германия, Применение навозной жижи, 1994.

35. Патент № 1698241, СССР, Способ утилизации жидкого навоза, 1992.

36. Патент № 2004529, Россия, Способ получения органоминерального удобрения и установка для его получения, 1991.

37. Патент № 4997469, США, Плотный малопахнущий азотистый гранулированный продукт на естественной основе, 1991.

38. Антонов Б.Г. Агроэкологическая эффективность традиционных и новых видов органических удобрений.//Химия в сельском хозяйстве , 1996, №6, с.2.

39. Большаков А.И. Новые виды органических удобрений в Якутии.-Химия в сельском хозяйстве, 1996, №6 , с. 12.

40. Barnett A. Et.al. Biogas Techology in the Third World.// A Multidiscriplinare Review. -Ottawa. International Development Research Center. 1978, p. 132

41. Заявка №2-48519. Япония. Способ получения удобрения быстрым сбраживанием отходов жизнедеятельности животных. 1989.

42. А.с.№1751171. СССР. Способ получения органических удобрений. 1991.

43. А.С. №1542948. Способ переработки помета птиц на удобрение и биогаз. 1998.

44. Заявка №2-17516. Непрерывный способ и устройство для быстрого получения удобрения. 1989.

45. Кухаренко А. А. Интенсификация биотехнологии получения кормового витамина В12.//Автореферат дис. На соискание звания к.т.н.-Москва.1997.

46. Патент РФ №2092547. Винаров А.Ю., Ипатова Т.В.и др.Способ активации микробиологических процессов, роста растений и клеток растений. 1995.

47. А.С. №1733432. СССР. Способ переработки органических отходов на удобрение и биогаз. 1990.

48. А.С. №472923. СССР. Способ приготовления удобрения из органических отходов. 1975.

49. А.С. №472923. СССР. Способ приготовления удобрения из органических отходов. 1975.

50. Заявка №273190. Польша. Способ приготовления навозной жижи для использования в сельском хозяйстве. 1989.

51. А.С. №833935. Способ получения органического удобрения. 1978.

52. Chartier P., Meriaux S. Biogas Technology .//Recherche. 1980. V.l 1. №113, p. 766-776.

53. A.C. №998452. СССР. Способ получения удобрений из жидких субстратов, полученных путем метанового брожения органического ила или испражнений скота.

54. А.С. №998452. СССР. Способ получения удобрений из жидких субстратов, полученных путем метанового брожения органического ила или испражнений скота.

55. Патент №1557143. РФ. Способ обработки куриного помета. 1990.

56. Международная заявка №90/12771. РСТ. Способ получения твердого удобрения из навозной жижи. 1990.

57. Заявка №4008104. Германия. Способ безотходной переработки сельскохозяйственных отходов. 1991.

58. Патент №676235, Швейцария, Способ переработки органических отходов, 1998.

59. Патент №1625859, СССР, Способ получения органического удобрения, 1991.

60. Заявка №0435846, ЕПВ, Способ получения высококачественного удобрения из навоза, 1992.

61. Патент №9103441, РСТ, Способ и установка для компостирования органических отходов, 1990.

62. Патент №9107365, РСТ, Способ и установка для получения пастеризованного материала, 1990.

63. Патент №445102, ЕПВ, Способ аэробной обработки экстрементов животных, исключающий появление запаха, 1991.65 .Патент №445102, ЕПВ, Способ аэробной обработки экстрементов животных, исключающий появление запаха, 1991.

64. Патент №486466, ЕПВ, Способ контролируемого и управляемого аэробного разрушения органических отходов,1992.

65. Патент №541184, ЕПВ, Способ и устройство для компостирования органического материала, 1993.

66. Патент №542634, ЕПВ, Система удаления отходов животного происхождения и их превращения в органическое удобрение,1993.69.3аявка №9519329А1, РСТ, Способ конверсии отходов путем аэробного жидкофазного разложения термофильными микроорганизмами, 1995.

67. Заявка №19651657А1, Германия, Способ и установка для компостирования размельченных биоотходов, 1998.

68. Патент №2141464, Россия, Способ приготовления компоста, 1999.

69. Патент №2100329, Россия, Способ получения органического удобрения, 1997.

70. Заявка №1813085, СССР, Способ переработки навоза на удобрение, 1993.

71. Патент №675417, Швейцария, Проточное устройство для компостирования, 1990.

72. Заявка №665200А1, ЕПВ, Способ и установка для локального компостирования и высушивания органических отходов, 1996.

73. Заявка №9633962А1, РСТ, Контейнер для компостирования с двойными стенками, 1996.

74. Патент №496271, ЕПВ, Способ и устройство для компостирования органических отходов или осветленного шлама, 1992.

75. Патент №9429241, РСТ, Контейнер для компостирования органических отходов, 1994.

76. Патент №501028, ЕПВ, Способ и устройство для обработки органических отходов, 1992.

77. Патент №9429241, РСТ, Контейнер для компостирования органических отходов, 1994.

78. Патент №501028, ЕПВ, Способ и устройство для обработки органических отходов, 1992.

79. Патент №9727158, РСТ, Аппарат, 1997.

80. Патент №9916760, РСТ, Аппарат, 1999.

81. Патент №5116761, США, Устройство для приготовления компоста из навоза путем сбраживания, 1992.

82. Заявка №9520555А1, РСТ, Способ и установка для компостирования органических материалов, 1995.

83. Заявка №9815507А1, ВОИС, Установка для биологической обработки отходов, 1998.

84. Заявка №2299075А1, Великобритания, Устройство для ферментации, 1997.

85. Патент №4-8400, Япония, Устройство для сбраживания отходов, 1992.

86. Патент №9847835, РСТ, Аппарат, 1998.

87. Патент №9101955, РСТ, Способ и установка для быстрого термического разложения органических отходов, 1991.

88. Патент №9117131, РСТ, Устройство для вращения валков компоста, 1991.

89. Патент №4236138, Германия, Устройство для компостирования отходов с использованием термофильных микроорганизмов, 1993.

90. Патент №6680364, Швейцария, Вращающийся барабан для получения компоста, 1992.

91. Заявка №9851644А1, ВОИС, Аппарат для сбраживания экскрементов животных в аэробных условиях и способ сбраживания в таком аппарате, 1998.

92. Патент №470311, ЕПВ, Устройство для ферментации органических материалов, 1992.

93. Заявка №9531419А1, РСТ, Устройство барабанного типа для двух-стадийного компостирования, 1995.

94. Патент №2089607, Россия,Соколов Д.П.,Винаров А.Ю.,Смирнов В.Н., и др. Биоконверсионная установка, 1997.

95. Винаров А.Ю., Кухаренко А.А., Ипатова Т.В., Бурмистров Б.В. Биотехнология переработки отходов животноводства и птицеводства в органическое удобрение. М.:-1998, 114 с.

96. Патент №2092549, Россия. Штамм дрожжей Endomycopsis fibuligera продуцент белковой биомассы. 1997.

97. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев J1.C. Моделирование биохимических реакторов.-М.: Лесная пром-сть ,1979.-343.

98. Кухаренко А. А., Винаров А.Ю. Безотходная биотехнология этилового спирта.-М.: Энергоатомиздат, 2001.-270с.

99. Винаров А.Ю.,Семенцов А.,Смирнов В.Н.,Соколов Д.П.,Ерина Т.Э. Аппаратурное оформление процессов переработки навоза и помета в удобрение. М. : изд.Сельхозакадемия., 2001.-64 с.

100. Sharma М.М., Dankwerts P.V. Chemical methods of measuring interfacial area and mass transfer coefficients in two-fluids systems. Brit. Chem. Eng., 1970, vol. 15, № 4, p. 522-528.

101. Weiland P., Brentrup L., Onken U. Measurements of bubble size distributions in fermentation media using photoelectric probe. -Germ. Chem. Eng., 1980, vol. 3, № 5, p. 296-302.

102. Weiland P., Brentrup L., Onken U. Measurements of bubble size distributions in fermentation media using photoelectric probe. -Germ. Chem. Eng., 1980, vol. 3, № 5, p. 296-302.

103. Calderbank P.H. Physical rate processes in industrial fermentation Trans. Inst. Chem. Eng. , 1959, vol. 37,№ 3, p. 173185.

104. Robinson C.W., Wilke C.R Simultaneous measurement of interfacial area and mass transfer coefficients for a well-mixed gas dispersion in aqueous electrolyte solutions. A.I.Ch.E.J., 1974, vol. 20, p. 285-293.

105. Armenante, P.M., Chang, G.-M. Power consumption in agitated vessels provided with multiple-disk turbines. / Ind. Eng. Chem. Res. 1998, 37, 284-291.

106. Doran, P.M. / Bioprocess Engineering Principles. Academic Press Limited: London, 1995.