Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оценка количества, структуры и характеристик отходов животноводства и птицеводства 7
1.1 Оценка характеристик отходов животноводства и птицеводства 7
1.2 Оценка количества и структуры отходов животноводства и птицеводства в Российской Федерации 17
1.3 Способы переработки отходов животноводства и птицеводства с целью их использования в качестве органических удобрений 27
Выводы 34
Глава 2. Биотехнология анаэробной конверсии органических веществ. Агрегирование биомассы 36
2.1 Общая характеристика стадий анаэробного сбраживания.. . 37
2.1.1 Стадия гидролиза 39
2.1.2 Кислотогенная стадия 42
2.1.3 Ацетогенная стадия 44
2.1.4 Метаногенная стадия 47
2.2 Агрегирование биомассы 50
Выводы 56
Глава 3. Основные принципы и критерии оптимизации технологического процесса получения биогаза 57
3.1 Ключевые факторы процесса анаэробного сбраживания и диапазон их оптимальных значений 57
3.2 Оценка степени конверсии органического вещества отходов животноводства и птицеводства в биогаз. Потенциал использования биогаза в Российской Федерации 72
Выводы 88
Глава 4. Методика практической оценки эффективности производства биогаза из отходов животноводства и птицеводства с учетом природно-климатических условий Российской Федерации 89
4.1 Аппаратурное решение анаэробных реакторов для сбраживания отходов животноводства и птицеводства 89
4.2 Методика расчета и модель энергетического баланса анаэробного проточного реактора для сбраживания отходов животноводства и птицеводства 94
Выводы 115
Основные выводы 117
Благодарности 119
- Оценка характеристик отходов животноводства и птицеводства
- Общая характеристика стадий анаэробного сбраживания..
- Ключевые факторы процесса анаэробного сбраживания и диапазон их оптимальных значений
Введение к работе
Образующееся во всем мире огромное количество отходов промышленного и сельскохозяйственного производства, коммунального хозяйства остро ставит проблему их очистки, обезвреживания и утилизации. В Российской Федерации ежегодно образуется около 280 млн.тонн навоза и помета, удаление которых с помощью воды увеличивает их исходное количество в 1,5-3 раза. Эпидемиологическая опасность навоза и помета обусловлена наличием патогенных микроорганизмов, яиц и личинок гельминтов в большой концентрации, а также длительностью сохранения ими вирулентных свойств. Таким образом, животноводческие и птицеводческие предприятия являются источником образования большого количества жидких органических отходов, содержащих возбудителей инфекционных и инвазионных болезней, оказывая негативное влияние на ветеринарно-санитарное и гигиеническое состояние почвы, загрязняя поверхностные и подземные воды.
С другой стороны отходы животноводства и птицеводства являются ценными органическими удобрениями, в состав которых входят практически все компоненты минерального питания, микроэлементы в доступном для растений виде, что повышает плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур.
Для использования навоза и помета в качестве удобрения в нем должны отсутствовать патогенная микрофлора, яйца и личинки гельминтов, семена сорных растений, способных к всхожести, при максимальном сохранении питательных веществ (азот, фосфор, калий и др.). Всем этим требованиям отвечает биологический способ обработки - анаэробное сбраживание, которое представляет собой протекающий в бескислородных условиях термический многостадийный процесс расщепления консорциумом микроорганизмов органических веществ с образованием горючего биогаза (смесь парникового метана и углекислого газа), являющимся возобновляемым источником энергии.
4 В силу различных причин широкое распространение и практическое применение анаэробная технология по биологической конверсии отходов животноводства и птицеводства с целью производства и использования биогаза получила как в США, странах Европы - Германия, Дания, Швеция, Франция, Чехия и др. (за счет мер государственного экономического стимулирования -субсидий, налоговых льгот, высоких штрафных санкций за загрязнение окружающей среды), так и странах Азии и Тихого океана - Китай, Индия, Таиланд и др. (из-за нехватки энергетических ресурсов и при наличии благоприятных природно-климатических условий). В Российской Федерации практическое применение биогазовой технологии для отходов животноводства и птицеводства сдерживается по двум основным причинам - информационной (отсутствие доступной информации о технологии, методик расчета оборудования, рекомендаций по осуществлению технологического процесса) и технической (отсутствие соответствующего отечественного оборудования и дилеров зарубежного оборудования). Вместе с тем, учитывая тенденции усиления государственной поддержки в Российской Федерации технологий по использованию возобновляемых источников энергии (Система зеленьтх сертификатов) и предотвращению эмиссии парниковых газов (Киотский протокол РКИК), экономические предпосылки, связанные с большей конкурентоспособностью сельскохозяйственных культур, выращенных на органическом удобрении («органическое сельское хозяйство»), а также предотвращение загрязнения окружающей среды отходами животноводства и птицеводства при использовании анаэробного сбраживания, применение данной технологии в Российской Федерации является перспективным.
Целью настоящей работы являлась разработка практических методов оценки эффективности и оптимизации биоэнергетического использования отходов животноводства и птицеводства с помощью технологии анаэробной конверсии на основе анализа физико-химических, микробиологических свойств отходов, экологических и биохимических особенностей процесса сбраживания
5 с учетом природно-климатических условий Российской Федерации. В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
Определить объем и структуру образующихся в Российской Федерации отходов животноводства и птицеводства, их физико-химические, микробиологические характеристики.
Оценить вклад отходов животноводства и птицеводства в качестве источника питательных веществ в органическое сельское хозяйство Российской Федерации.
Рассмотреть способы обработки отходов животноводства и птицеводства и определить условия применения анаэробной технологии.
Определить оптимальные значения ключевых параметров осуществления и способы интенсификации конверсии органических веществ в биогаз, а также лимитирующие факторы процесса.
Определить предельно возможную степень анаэробной конверсии органического вещества отходов животноводства и птицеводства и значения удельного выхода биогаза.
Разработать методику расчета анаэробного реактора и модель энергетического баланса получения и использования биогаза, учитывающие качественные и количественные характеристики отходов, различные режимы сбраживания и природно-климатические условия.
Обосновать условия, обеспечивающие эффективность применения технологии анаэробного сбраживания для отходов животноводства и птицеводства в Российской Федерации.
Поставленные задачи решены с использованием методов теории математической статистики, моделирования и математической обработки данных, теоретических основ теплотехники.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоит в том, что дана основанная на многофакторном анализе оценка потенциала использования технологии анаэробного сбраживания для отходов животноводства и птицеводства на территории Российской Федерации;
определены математические зависимости ключевых параметров технологического процесса анаэробного сбраживания; разработана методика расчета и модель энергетического баланса анаэробного проточного реактора с учетом качественных и количественных характеристик отходов, различных режимов сбраживания и природно-климатических условий Российской Федерации. Сформулированы требования, предъявляемые к отходам, обрабатываемым в анаэробном проточном реакторе.
Обоснованный научными положениями биологический анаэробный способ обезвреживания и применения в энергетических, экологических и сельскохозяйственных целях отходов животноводства и птицеводства, разработанные методика расчета и модель анаэробного реактора предназначены для использования предприятиями, организациями и частными лицами, осуществляющими деятельность в области проектирования, строительства, управления и эксплуатации сооружений по обработке отходов.
Результаты диссертационного исследования были доложены на молодежной международной конференции «Экология - 2003» (Архангельск, Россия, 2003), IV Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание» (Пенза, Россия, 2004), IV Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины - 2004» (Санкт-Петербург, Россия, 2004), ежегодной Всероссийской научно-практической конференции РУДН «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, Россия, 2005), 14 Европейской конференции по использованию биомассы (Париж, Франция, 2005), на заседании кафедры Системной экологии экологического факультета РУДН (Москва, Россия, 2005). Тіо материалам диссертации опубликовано пять работ.
Оценка характеристик отходов животноводства и птицеводства
Характеристики отходов животных, птицы 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 [8].
Количество и свойства навоза и помета зависят от возраста, рационов кормления и способов содержания животных. Расчетное среднесуточное количество и влажность экскрементов от одного животного разных половозрастных групп при кормлении свиней полнорационными концентрированными кормами на свиноводческих предприятиях приведено в таблице 1Л, на предприятиях крупного рогатого скота (КРС) - в таблице 1.2, количество помета, выделяемое птицей - в таблице 1.3. Количество и соотношение твердых и жидких выделений животных и их состав значительно различаются у отдельных видов скота. У крупного рогатого скота (КРС) в 1,5-3,0 раза больше твердых, чем жидких выделений, у свиней количество мочи в 1,5-2,6 раза больше, чем кала. Влажность смеси экскрементов КРС составляет 86-88%, экскрементов свиней - 88-91%, тогда как птичий помет отличается невысокой исходной влажностью - 66-74% и обладает большой степенью усушки (до 50%).
Все виды навоза и помета могут быть использованы для удобрения земельных угодий, повышения плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Удобрительная ценность навоза и помета определяется по содержанию питательных веществ, среднее значение которых в экскрементах сельскохозяйственных животных и птицы приводится в таблицах 1.4 и 1.5. Отношение величия: химического потребления кислорода (ХПК) к массе органического вещества; пятидневного биохимического потребления кислорода (БПК5) и полного ВПК к ХПК; БПК5 к ВПК для экскрементов свиней, КРС и помета птицы представлено в таблице 1.6.
Твердые и жидкие выделения животных неравноценны по составу в удобрительным качествам. В жидких выделениях содержится больше азота (0,4-1,9%) и калия (0,5-2,3%), чем в твердых (0,3-0,6% и 0,1-0,3% соответственно), а фосфора, наоборот, значительно больше в твердых выделениях (0,17-0,41%)), чем в жидких (0,07-0,1%). При скармливании животным значительного количества концентрированных кормов навоз и помет отличаются повышенным содержанием азота и фосфора, пониженным - калия. Азот и фосфор в твердых выделениях содержатся в составе органических соединений и переходят в доступную для растений форму после их минерализации. В жидких выделениях элементы питания представлены в растворимой, легкодоступной форме.
В зависимости от способа содержания животных (подстилочное или бесподстилочное) параметры отходов изменяются.
Для подстилки применяют солому злаковых и торф (торфяную крошку), реже - древесные стружки и опилки. Подстилка улучшает физические свойства навоза, впитывает мочу и поглощает образующийся при ее разложении аммиак и таким образом уменьшает потери азота. Помет и навоз с подстилкой имеют плотную консистенцию. Удаление подстилочного навоза и его транспортировка за пределы животноводческих помещений производится механическими способами: скребковыми, пластинчатыми и шнековыми транспортерами, скреперными и гидрофицированными установками, а также бульдозерами различных типов. Механические способы удаления и транспортировки навоза проектируются для предприятий КРС: при стойловом и стойлово-пастбищном содержании животных, с применением подстилки, в родильных отделениях, при подпольном хранении навоза и на открытых откормочных площадках; для свиноводческих предприятий (до 24 тысяч голов в год), использующих корма собственного производства и пищевые отходы, и в свинарниках-маточниках.
Бесподстилочное содержание животных позволяет полностью механизировать очистку животноводческих помещений гидравлическими способами: самотечными системами непрерывного и периодического действия, а также прямым смывом водой. Бесподстилочный жидкий навоз - подвижная смесь кала, мочи и технологической воды, попадающей в навоз при уборке помещения, мытье кормушек, из автопоилок - обладает текучестью и легко поддается перекачке по трубам самотеком или с помощью насосов.
Общая характеристика стадий анаэробного сбраживания
Анаэробное сбраживание - это процесс разрушения органических веществ микроорганизмами при отсутствии кислорода. Весь сложный комплекс превращений биополимеров (углеводы, белки и липиды) в метан и диоксид углерода осуществляет большое количество микроорганизмов, до нескольких сотен видов, среди которых преобладают бактерии [17]. Субстратная специфичность метанобразующих бактерий обусловливает необходимость взаимодействия их с другими анаэробными бактериями в составе сообщества. Метаногенное сообщество представляет собой трофическую систему анаэробных бактерий, образующих в качестве последнего продукта метан, удаляющийся из системы в виде пузырьков газа малой растворимости и который не может быть использован в анаэробных реакциях. Метаногенное сообщество подчиняется термодинамическим закономерностям и кинетическим взаимодействиям. Именно эти причины обусловливают разделение организмов сообщества на функциональные группы. Количественный и качественный состав микрофлоры значительно зависит от состава сбраживаемых органических веществ и создаваемых условий. Преобладающими группами микроорганизмов являются гидролитические, бродильные, синтрофные и метановые бактерии, последовательно осуществляющие стадии анаэробного процесса - гидролиз, кислотогенная, ацетогенная и метаногенная стадии соответственно.
Важнейшей особенностью метановых биоценозов является наличие множества симбиотических связей между различными микроорганизмами, когда продукты жизнедеятельности одних являются питательными субстратами для других. Благодаря этому метановый биоценоз является очень «пластичным» микробным сообществом, способным менять используемые им пути ферментации и функционировать как саморегулирующаяся система, поддерживающая значения рН, окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и другие факторы среды оптимальным для роста образом и, следовательно, обеспечивающая стабильность сбраживания [4].
Не имея доступа ни к кислороду, ни к другим, предпочтительным в энергетическом отношении акцепторам электронов (нитрат, сульфат, сера и др.) микроорганизмы вынуждены использовать для этой цели углерод органических веществ, что и приводит в конечном итоге к наиболее сильно восстановленному из существующих в природе углеродных соединений -метану. В то же время в качестве донора электронов микроорганизмы в этом процессе также используют, как правило, углерод органических веществ, окисляя его до углекислого газа (второй компонент биогаза). Итак, с химической точки зрения при биометаногеиезе происходит типичная химическая реакция диспроггорционироваиия, при этом органическое вещество из жидкой (твердой) фазы переходит в газовую. Последний факт оказался очень существенным для разработки процессов биологической утилизации практически любых органических отходов.
На рисунке 2.1 представлена общая схема процессов анаэробного сбраживания органических веществ с указанием участвующих типов бактерий.
Анаэробное превращение практически любого сложного органического вещества в биогаз проходит четыре последовательные стадии [20,23,55,71]:
гидролиз высокомолекулярных соединений до соответствующих олигомеров и далее мономеров;
кислотогенная стадия, в процессе которой происходит ферментация образовавшихся мономеров до летучих жирных кислот (ЛЖК), спиртов, углекислого газа и водорода. В результате дезаминирования аминокислот дополнительно образуется аммиак, а в результате сульфатредукции полностью или частично окисленных соединений минеральной серы за счет окисления органического вещества или водорода - сероводород.
Ключевые факторы процесса анаэробного сбраживания и диапазон их оптимальных значений
Технологический процесс анаэробного сбраживания осуществляется в соответствии с требованиями, необходимвіми для стабильного роста и функционирования консорциума микроорганизмов, участвующих в данном процессе. Скорость и степень конверсии органического вещества в биогаз зависят как от исходных физико-химических (концентрация органических веществ, соотношение C:N, влажность, рН, концентрация токсичных веществ), биохимических и микробиологических (концентрация микроорганизмов внутри реактора) параметров сбраживаемого субстрата, так и от принимаемьж параметров осуществления технологического процесса в реакторе (температура и способность к ее поддержанию в период ферментации, гидравлическое время удержания субстрата в реакторе, степень нагрузки на реактор по органическому веществу, степень с которой удаляются из реактора токсичные вещества и конечные продукты сбраживания, давление внутри реактора).
Одним из основных параметров технологического процесса анаэробного сбраживания является температура. Обычно выделяют три температурных режима анаэробного сбраживания соответствующих температурным зонам жизнедеятельности бактерий: психрофильная (5-25С), мезофильная (25-40С), термофильная (50-65С) (рис. 3.1). В каждой зоне сбраживание осуществляет своя ассоциация микроорганизмов [3,172].
Интерес к термофильному процессу обусловлен более высокой степенью и скороствю распада органического вещества (в два раза по сравнению с мезофильным процессом), а значит более высокой скоростью продукции биогаза с единицы объема реактора в единицу времени, в связи с чем, большей допустимой нагрузкой на бактериальную биомассу реактора по органическому веществу, способностью наилучшим образом обезвреживать отходы. При этом сбраживание отходов в термофильном режиме температур часто оказывается неэкономичным из-за высокой потребности в энергии на поддержание технологического процесса. Другими недостатками термофильного режима, по сравнению с мезофильным, является достаточно бедный видовой состав термофильной микрофлоры, ее чувствительность к колебаниям температуры, и, следовательно, меньшая стабильность процесса, а также существует большая вероятность риска ингибирования деятельности метаногенного консорциума аммиаком из-за более низких темпов роста бактерий по сравнению с продолжительностью пребывания органического субстрата в реакторе при большей нагрузке по органическому веществу по сравнению с мезофильным режимом [158,175].
Графическое представление температурных режимов анаэробного сбраживания Сведения относительно оптимального режима температуры, необходимого для процесса метанового сбраживания, различны. По сообщениям некоторых авторов [3] оптимальная температура, при которой жизнедеятельность бактерий протекает более активно, для мезофильного процесса составляет 32-34С. для термофильного - 52-54С, температура 35-42С считается слишком высокой для жизнедеятельности мезофильнык метанобразующих бактерий и мало пригодной для развития и роста термофильных. Hobson с соавторами [101] оптимальной температурой для мезофильного режима считают 35С и полагают, что при этой температуре процесс метанового брожения наиболее стабилен. Для термофильного процесса Moller с соавторами оптимальным температурным интервалом называют 55-58С[122].
По результатам исследований с использованием навоза крупного рогатого скота показано [101], что продукция биогаза быстро растет в интервале температур 15-25С, затем медленно при температуре до 45 С и быстро - в термофильной зоне - от 50 до 65С. Hashimoto с соавторами [96] при использовании смеси навоза и соломы в диапазоне температур 44-47С и 52-54С получили хорошие результаты при более низких температурах и при средней температуре 45,5С, т.е. при температуре, которую многие исследователи считали невыгодной для процесса метанового брожения.
Изменение температуры сбраживания, то есть переход от одного температурного режима к другому возможен без существенного нарушения газовыделения [75]. Как известно, в навозе и навозных стоках присутствует широкий диапазон микроорганизмов, соответствующих температурным группам - психрофильные, мезофильные и термофильные [17]. Очевидно, при изменении температуры адаптируются бактерии соответствующего температурного диапазона. При этом, как сообщает Wellmger [169], адаптация микроорганизмов при переходе от мезофильного режима сбраживания к термофильному и наоборот происходит гладко при низкой нагрузке по органическому веществу, тогда как переход от мезофильного режима к психрофильному может занять месяцы.
