Разработка технологии и оборудования для переработки биоорганических отходов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Спиридонова, Елена Владимировна

• Спиридонова, Елена Владимировна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Спиридонова, Елена Владимировна

РЕФЕРАТ.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

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

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

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

1.4. Анализ конструкций биогазовых установок.

1.4.1. Особенности конструкций установок отечественного производства

1.4.2. Зарубежный опыт по использованию технологического биогазового оборудования

1.4.3. Классификация биогазовых установок.

1.5. Постановка вопроса, цель и задачи исследований

1.6. Выводы.

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

2.1. Теоретические представления процесса высоковольтной обработки водного органического субстрата.

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

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

2.4. Моделирование процесса анаэробного сбраживания

2.5. Механизм кинетики разложения составляющих водного субстрата

2.6. Выводы.

3. МЕТОДИКИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Методика трансмиссионно — резонансной КВЧ/СВЧ радиоспектроскопии

3.2. Методика потенциометрии для определения рН.

3.3. Методика определения гранулометрического состава

3.4. Методика определения спектра мутности.

3.5. Методика измерения пористости и удельной поверхности органического вещества.

3.6. Методика микробиологических исследований.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

4.1. Анализ исследований трансмиссионно-резонансной КВЧ/СВЧ радиоспектроскопии

4.2. Определение pH водного органического субстрата.

4.3. Определение гранулометрического состава.

4.4. Определение спектра мутности.

4.5. Результаты исследований пористости и удельной поверхности органического вещества.

4.6. Микробиологическое исследование водного органического субстрата

4.7. Анализ фазового перехода органических частиц в водном субстрате

4.8. Выводы.

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

ЭФФЕКТИВНОСТИ

5.1. Разработка устройства для высоковольтного импульсного разряда

5.1.1. Основные требования, предъявляемые к высоковольтной части устройства.

5.1.2. Обоснование электрической схемы высоковольтной части устройства.

5.1.3. Разработка универсального разрядника

5.1.4. Особенности эксплуатации оборудования.

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

5.3. Результаты производственных испытаний.

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

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

5.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии и оборудования для переработки биоорганических отходов»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научную новизну имеют:

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Спиридонова, Елена Владимировна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

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

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

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

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

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

5. Установлена возможность изменения концентрации водородных ионов рН.

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

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

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

139

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Спиридонова, Елена Владимировна, 2003 год

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

2. A.C. 225799 СССР, МКИ C02F 1/48.

3. A.C. 196632 СССР, МКИ C02F 1/48.

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

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

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

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

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

9. Пат. 2085519 РФ, МКИ С 02F 11/00.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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