Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1. Технологии переработки отходов животноводства в органическое удобрение 7
1.1.1. Характеристика отходов животноводческих предприятий 7
1.1.2. Механические и физико-химические методы обработки отходов животных 11
1.1.3. Биологическая переработка отходов животных 26
1.2. Аппаратурное оформление процессов аэробной переработки отходов животноводства в удобрение 45
1.2.1. Емкости 46
1.2.2. Установки с транспортерными лентами 54
1.2.3. Барабаны 57
Глава 2. Экспериментальное исследование аэробного процесса переработки навозных стоков 63
2.1. Получение лабораторных образцов проферментированного навоза и исследование эффективности их использования при выращивании растений 64
2.2 Исследование кинетики процесса с использованием штамма Endomycopsis fibuligera 73
Глава 3. Разработка и испытание лабораторной модели ферментера для переработки жидких навозных стоков объемом 100л 76
3.1. Основные задачи и методы экспериментального исследования модели лабораторного ферментера объемом 100 л 77
3.2. Результаты экспериментального исследования модели аппарата 86
Глава 4. Разработка алгоритма и метода инженерного расчета ферментера для переработки жидких отходов животноводства 95.
4.1. Общая схема и алгоритм инженерного расчета ферментера 97
4.2. Расчетные зависимости и результаты расчета ферментера 1 Ом3 101
Глава 5. Разработка технической документации опытно- промышленного ферментера, объемом 10 м3 110
5.1. Описание работы ферментера 111
5.2 Основная поузловая конструкторская документация на ферментер 1 Ом 114
Глава 6. Разработка технологической схемы аэробной переработки жидких навозных стоков 125
6.1 Расчет основных параметров и разработка технолого- аппаратурной схемы установки производительностью 3 т/сутки 126
6.2 Оценка технико-экономической эффективности установки с ферментером 1 Ом3 139
Основные результаты и выводы 147
Список литературы 149
- Технологии переработки отходов животноводства в органическое удобрение
- Получение лабораторных образцов проферментированного навоза и исследование эффективности их использования при выращивании растений
- Основные задачи и методы экспериментального исследования модели лабораторного ферментера объемом 100 л
Введение к работе
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 м 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.
Технологии переработки отходов животноводства в органическое удобрение
Характеристики отходов животных зависят от усвояемости и состава кормового рациона. Экскременты животных содержат органические и неорганические вещества, которые поступают вместе с непереваренными остатками корма, выделяются через стенку кишечника или являются продуктами жизнедеятельности микроорганизмов. В целом с выделениями крупного рогатого скота, а также кур при батарейном их содержании выводится до 30 - 40% питательных веществ, получаемых животными с кормами. В навозе и помете содержатся остатки пищеварительных соков, отмершие клетки, бактерии и крупные частицы нерастворимых веществ, проглоченные вместе с кормом. Отходы могут содержать также корм, рассыпанный в загонах [1].
Количество и свойства навоза и помета зависят от возраста, рационов кормления и способов содержания животных. Так, например, при скармливании животным значительного количества концентрированных кормов, навоз и помет отличается повышенным содержанием азота и фосфора, пониженным - калия. В таблице 1 приводится среднее содержание питательных веществ в экскрементах сельскохозяйственных животных.
По внешнему виду помет представляет собой темную массу с большим количеством слизи, мелкими червями, резким неприятным запахом, оставляющую на бумаге жировые пятна, содержащую 31% сухих веществ. Из них, % масс, к св.: общий углерод - 34,2; сульфат ион - 1,63; углерод гуминовых кислот - 1,97;кальций - 5,3;клетчатка -21,5; магний - 1,23; общий азот - 6,1; калий - 1,73; аммонийный азот -1,4; натрий - 0,4; нитрат-ион-0,06; железо - 0,16; нитрит-ион - 0,05; марганец - 0,04; фосфат-ион - 7,1; цинк - 0,02; хлорид-ион - 0,61; ртуть, мышьяк, свинец, кадмий, хром, никель - следы. Органическое вещество (сумма общего углерода, органического азота, кислорода и водорода) - 80,8 (по данным ГОСНИИСинтезбелок).
Органическое вещество кала представлено, в основном, целлюлозой, лигнином, пентозанами. В связи с этим отношение C:N в кале довольно широкое (18 - 20). Однако в смеси экскрементов оно снижается за счет азота мочи до 5 - 9.
Содержание питательных веществ в навозе и помете также во многом зависит от того, какое время он хранился. Например, в свежем навозе и помете содержится в 2 раза больше азота, чем в несвежем [2].
В ходе биохимических превращений в навозе и помете в дополнение к уже имеющимся образуются другие вещества: аммиак, амины, нитраты и другие соединения. В экскрементах животных содержится большое количество микроорганизмов, которые выносятся из желудочно-кишечного тракта.
Микрофлору пищеварительного канала принято делить на факультативную, которая подвержена изменениям в зависимости от вида корма, и облигатную, которая стала постоянным обитателем желудочно-кишечного тракта [3]. В пищеварительном канале животных встречаются следующие виды микроорганизмов: молочнокислые бактерии, бактерии кишечной группы, гнилостные анаэробные и аэробные бактерии, бактерии, сбраживающие крахмал, пектиновые вещества, спорообразующие анаэробные бациллы. В небольшом количестве обнаруживаются термофильные бактерии, актиномицеты, споры плесневых грибов и дрожжи [4].
По данным ряда отечественных и зарубежных исследователей, у птицы нормальная кишечная флора представлена следующими родами энтеробактерий:
Bacteroides, Esherichia, Enterobacter, Serratia, Shigella, Streptococcus, Lactobacillus, Clostridium, Pseudomonas, Klebsiella, Proteus, Edwardsiella. Из семейства Enterobacteriaceae у здоровой птицы не изолированы представители родов Yersinia, Erwinia, Hafnia, Salmonella. Наибольшее значение для организма птицы имеют колибактерии, энтерококки, стафилококки, клостридии, бактероиды и лактобациллы.
В кишечнике домашней птицы содержится более 40 видов грам-положительных и грам-отрицательных неспорообразующих палочек, а также до 17 видов клостридии. Наибольшая масса бактерий находится в слепой кишке: до 1011 клеток на 1 грамм содержимого [4].
Получение лабораторных образцов проферментированного навоза и исследование эффективности их использования при выращивании растений
Объектом исследования являлись жидкие навозные стоки животноводческого комплекса по содержанию крупного рогатого скота. Исследование проводили в лаборатории «Технологии промышленного биосинтеза» ФГУП «ГосНиисинтезбелок». Данные по химическому составу образцов навозных стоков представлены в Полный анализ образца навоза показал, что в данном "субстрате" имелись все необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов компоненты, поэтому в обрабатываемый материал вносили только фосфорную кислоту для регулировки рН.
Для микробиологической обработки навозных стоков использовали подобранный [98] штамм дрожжей Endomycopsis fibuligera ВСБ-12 [99]. На плотных средах штамм образует круглые с ровным краем колонии размером 4-10 мм, выпуклого профиля с ворсистой поверхностью, светло-коричневого цвета, однородной структуры, плотной консистенции. После роста в течении первых суток культура имеет под микроскопом следующий вид: клетки овальные (4-6) (6-12)мкм, формируют септированный мицелий, аскоспоры. Штамм не витаминзависимый. Сбраживает глюкозу, мальтозу, ассимилирует углеродные компоненты, растворимый крахмал, глюкозу, арабинозу.
Контроль за процессом ферментации осуществляли путем анализа обработанного материала на содержание аминокислот. По окончании процесса ферментации в образцах определяли содержание:
влаги,
ХПК,
ХПК в водной вытяжке,
органического вещества,
общего азота,
общего фосфора,
общего калия
Определение основных показателей проводили по следующим методикам: РД 52.24.367-95, РД 52.24.381-95, РД 52.24.387-95, РД 52.24.394-95, РД 52.24.420-95, РД 52.24.421-95.
Определение массовой доли влаги вели методом высушивания навески пробы до постоянного веса и взвешивания сухого остатка.
Определение химического потребления кислорода (ХПК) проводили дихроматным методом, который основан на окислении кислородом в присутствии катализатора (AgSO, ) при кипячении в кислой среде органических веществ, присутствующих в воде (на 95 -100%). При этом Сг6+ восстанавливается до Сг3+ по уравнению: Сг2072 + 14Н+ + 6е = 2Сг3+ + 7Н20
Определение общего азота вели по методу Кьельдаля.
Определение общего фосфора проводили фотометрическим методом, который основан на образовании ортофосфат-ионов с молибдатом в кислой среде желтой гетерополикислоты, которая под воздействием восстановителя, аскорбиновой кислоты, превращается в интенсивно окрашенное синее соединение. Определение общего калия проводили фотометрическим методом. Содержание аминокислот определяли на AMINOACID ANALYZER Т-339. Методика проведения ферментации навозных стоков. Ферментацию навозных стоков КРС проводили в лабораторных условиях в 750-милилитровых колбах на ротационной качалке при температуре 30 С, п=220 об/мин. Объем питательной среды в колбах -100 мл. Это обеспечивало скорость массопередачи кислорода воздуха в среднем 2,0 кг02 /м3 ч. Питательной средой для выращивания
микроорганизмов служили жидкие навозные стоки КРС с концентрацией сухих веществ 10%. В среду так же вносили калий фосфорнокислый однозамещенный в количестве 0,1%.
В качестве основного штамма применяли Endomycopsis fibuligera ВСБ-12. В лабораторных условиях культуру поддерживали на сусло-агаре. Перед проведением процесса ферментации дрожжи выращивали сначала на косяках на сусло-агаре (С.А.) при t=30C в течение 2-х суток. Затем в колбах на качалке при t - 30 С, п=220 об/мин на минеральной питательной среде с содержанием углеводов 10%. Полученную культуру дрожжей использовали в качестве засевной. Объем засевной биомассы составлял 5% к объему ферментируемой среды. Процесс вели в течение 80 часов. Пробы для определения содержания аминокислот в среде брали через каждые 5 часов ферментации. Повторность опыта трехкратная
Основные задачи и методы экспериментального исследования модели лабораторного ферментера объемом 100 л
В основные задачи, поставленные перед разработкой и экспериментальным исследованием лабораторной модели ферментера объемом 100л входило проверка теоретических предпосылок применения нового типа эжекторного устройства для интенсивного массообмена и диспергирования фаз и эффективности ферментера, основанного на предложенном принципе газо-жидкостного взаимодействия, в соответствии с разработанным критерием оценки эффективности [100, 101].
Изготовленная из оргстекла (для визуального наблюдения за характером многофазной среды) модель ферментера отвечала заложенным предпосылкам : - рабочий объем аппарата представлен в виде двух функциональных зон - зоны с интенсивной диссипацией энергии и эффективным микроперемешиванием и диспергированием фаз, что реализовано установкой 2-х эжекторных устройств, обеспечивающих указанные эффекты и большей по объему зоны - остальным объемом аппарата с относительно малоинтенсивным микроперемешиванием; указанные зоны связаны между собой циркуляционным потоком, посредством установленного низконапорного насоса, обеспечивающим макроперемешивание среды по объему аппарата и распределение кислорода и других питательных веществ; - интенсивное микроперемешивание, диспергирование и аэрация среды в модели нового ферментера обеспечивается с помощью разработанной конструкций многоструйных эжекторов, заменяющих традиционные мешалки, барботажные и эрлифтные системы в известных ферментерах; в модели нового ферментера отсутствуют сложные перемешивающие устройства с уплотнением валов, опорами и пр., высоконапорные компрессоры для нагнетания воздуха, металлоемкие эрлифтные устройства, их функционально заменяют стационарно расположенные эжектора разработанной конструкции, разработанный многоструйный эжектор является основным элементом систем аэрации, диспергирования и микроперемешивания многофазной ферментационной среды и обеспечивает вовлечение воздуха при атмосферном давлении в жидкую фазу и эффективное газожидкостное взаимодействие фаз; - конечная степень диспергирования фаз, определяющая поверхность их контакта и скорость массопередачи кислорода зависит от скорости потока газожидкостной эмульсии, выходящей из смесительной камеры эжектора в объем ферментера", - при передаче количества движения в эжекторном устройстве через поверхность истекающих струй значение диссипации энергии достигает максимальных значений, обеспечивающих высокую степень диспергирования пузырьков воздуха , расчетная кратность циркуляции ферментационной среды и отсутствие застойных зон по объему модели ферментера обеспечивается рациональным расположением эжекторов на корпусе аппарата и низконапорным циркуляционным насосом; интенсивность процесса массопередачи кислорода в объеме ферментера зависит от газосодержания, поверхности контакта фаз и размера пузырьков воздуха, а затраты энергии определяются объемом зоны функционирования эжекторной системы, при этом, их величина минимальна и расходуется в основном на полезное диспергирование воздуха в этой зоне ,
