Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 11-38
1.1. Особенности механизации животноводства в Республике Саха (Якутия) 11-16
1.2. Методы и способы переработки бесподстилочного навоза 17-23
1.3. Микробиологические и биохимические основы процесса метанового сбраживания 23-25
1.4. Факторы, воздействующие на процесс метанового сбраживания навоза крупного рогатого скота 25-35
1.5. Параметры, характеризующие процесс анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота 36-38
ГЛАВА 2.Теоретические исследования 39-62
2.1. Энергетическая модель накопительной биоэнергетической установки 39-43
2.2. Теплотехническая модель накопительной биоэнергетической установки 43-55
2.3. Спонтанное перемешивание в биореакторе накопительной биоэнергетической установки 56-62
ГЛАВА 3. Методика исследования 63-82
3.1. Общая методика экспериментальных исследований 63-65
3.2. Описание лабораторной установки для проведения экспериментов по анаэробному метановому сбраживанию 65-69
3.3. Методика получения адаптированных к психрофильным условиям естественных метаногенных мезофильных микроорганизмов 70
3.4. Методика определения влажности и зольности 70-72
3.5. Планирование и обработка результатов эксперимента 72-80
3.6. Методика экспериментальных исследований режимов работы накопительной биоэнергетической установки 81-82
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 83-111
4.1. Результаты эксперимента по адаптированию естественных метаногенных микроорганизмов к психрофильным условиям 83-84
4.2. Результаты опытов по исследованию режимов работы накопительной биоэнергетической установки по анаэробному сбраживанию бесподстилочного навоза крупного рогатого скота 85-95
4.3. Имитационные модели анаэробного метанового сбраживания в накопительной биоэнергетической установке 95-102
4.4. Результаты моделирования количества теплоты, идущего на нагревисходного навоза и поддержание температуры сбраживания в накопительной биоэнергетической установке 102-107
4.5. Результаты моделирования выхода товарной энергии 107-111
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность переработки бесподстилочного навоза крупного рогатого скота анаэробным сбраживанием в биоэнергетической установке 112-118
Основные выводы 119-120
Литература 121-134
Приложения 135-158
- Особенности механизации животноводства в Республике Саха (Якутия)
- Энергетическая модель накопительной биоэнергетической установки
- Описание лабораторной установки для проведения экспериментов по анаэробному метановому сбраживанию
- Результаты опытов по исследованию режимов работы накопительной биоэнергетической установки по анаэробному сбраживанию бесподстилочного навоза крупного рогатого скота
Введение к работе
Республика Саха (Якутия) располагает огромными земельными ресурсами, но площади, пригодные для сельскохозяйственного освоения, весьма ограничены.
В последние годы резко сократилось применение минеральных и органических удобрений, почти не ведутся мелиоративные работы. Из-за перегрузки сельскохозяйственных угодий населением и домашним скотом происходит интенсивное уменьшение их плодородия.
Повышение содержания биогенных веществ и гумуса в почве достигается внесением органических удобрений. Одним из наиболее доступных и традиционных видов органических удобрений является навоз крупного рогатого скота. Значимость навоза крупного рогатого скота как удобрения подтверждается тем, что в тонне бесподстилочного навоза в среднем содержится 5 кг азота, 2,5 кг фосфора и 6 кг калия, С дозой навоза 60 т/га (с влажностью 87-90 %) в почву их будет внесено около 300, 150 и 360 кг соответственно. Почва при разложении органического вещества навоза обогащается гумусом и углекислым газом, необходимом для воздушного питания растений. Также улучшаются её биологические, химические свойства, водный и воздушный режимы [67, 71, 73]. При недостаточно проработанной технологии переработки, удобрительные качества навоза могут быть утрачены и он будет являться весьма опасным источником загрязнения окружающей среды [12, 20, 26,31,34,35].
В хозяйствах республики крупный рогатый скот содержится без подстилки, а полученный навоз вывозят на близлежащие пахотные или на открытые участки. Навоз, вывезенный зимой, весной долго не оттаивает, что приводит к значительному затягиванию с обработкой почвы и подготовкой её к посеву, В Якутии, регионе вечной мерзлоты, патогенные микроорганизмы в навозе и почве обладают повышенной устойчивостью к воздействию
5 внешних факторов и годами сохраняют жизнеспособность и патогенность.
По данным Якутского НИИСХ, кишечная палочка выживает в кучах навоза
до 1,5 лет, золотистый стафилококк- до 2 лет, микобактерии туберкулёза — до
4, мытный стрептококк - до года [78],
В Центральной Якутии, где сосредоточено около 90 % всего поголовья крупного рогатого скота отсутствуют технологии по переработке производимого навоза. В силу этого навоз затрудняет нормальное и безопасное функционирование животноводческих ферм, находящихся непосредственно в населённых пунктах. Отсутствие технологий по переработке навоза приводит к многолетним накоплениям навоза около ферм, расположенных рядом с естественными водоемами, что влечет за собой их сильное загрязнение. Так, из-за попадания в озера биогенных элементов содержание нитратов, нитритов, аммония и фосфатов превышает допустимые нормы. В некоторых озерах Заречной группы районов Республики Саха (Якутия) отмечено превышение ПДК нитратов в 110-120 раз, фосфатов - в 70-80 раз, В сельской местности население потребляет воду из этих водоемов без какой-либо очистки. Авторы работы [ПО] считают, что отсутствие технологий по переработке наьоза является одной из существенных причин увеличения заболеваемости сельских жителей онкологическими болезнями желудочно-кишечного тракта, дизентерией и инфекционными гепатитами. Все это не оставляет сомнений в том, что навоз выступает опасным фактором передачи возбудителей инфекционных и инвазионных болезней человеку и животным, источником заражения пастбищ и водоёмов.
В настоящее время в республике достаточно остро стоит энергетическая проблема. В сельском хозяйстве она усугубляется дефицитом энергетических мощностей, недостаточным уровнем централизации электроснабжения, обусловленных территориальной рассредоточенностью населения. Теплоснабжение животноводческих ферм, других производственных объектов и жилого сектора осуществляется от мелких котельных, работающих на привозном
жидком и твердом топливе, доставка которого требует больших экономических и энергетических затрат. Отсюда и вытекают все те негативные показатели, присущие для системы теплоснабжения в условиях Республики Саха (Якутия) [8].
В сельской местности уровень потребления энергии на душу населения почти в 2 раза, а по отдаленным населенным пунктам в 3-4 раза ниже, чем в среднем по республике. Особо остро стоит проблема топливо - и энергообеспечения потребителей 266 отдаленных сельских населенных пунктов, в которых проживает около четверти сельского населения. Транспортировка угля до таких пунктов сопровождается физическими потерями^ достигающими 30 %, значительным расходом моторного топлива.
Исходя из вышеперечисленного, необходимо отказаться от практики вывоза неподготовленного навоза, получаемого в стойловый период, принять меры по его переработке и хранению с целью получения качественного органического удобрения и топлива.
Существуют различные методы и способы переработки бесподстилочного навоза животных для получения органических удобрений [6, 12, 26, 60, 71]. Но ни один из них не находит широкого и эффективного применения в Якутии по причине жестких природно-климатических условий и низкого технического уровня сельхозпроизводства.
В данной ситуации, наиболее подходящим способом переработки бесподстилочного навоза крупного рогатого скота является анаэробное метановое сбраживание в сооружениях накопительного типа» устанавливаемых непосредственно в животноводческих помещениях.
Переработка навоза путем метанового сбраживания имеет следующие достоинства, выгодно отличающих его от других методов и способов переработки [10, 11,12, 14,15, 19,23,42, 88]:
выделяемый биогаз является источником энергии;
получение высококачественного органического удобрения;
- уничтожение яиц гельминтов, семян сорных растений, подавление
запаха навоза;
поддержание чистоты окружающей среды;
улучшение социальных условий проживания сельского населения;
возможность организации безотходного производства.
Автор работы [27] пишет, что оптимального функционирования системы человек - сельскохозяйственное производство - природная среда можно достигнуть, применяя биоэнергетические установки в усадьбах фермерских хозяйств.
По температурным режимам биогазовые технологии подразделяются на психрофильный {10-25 С), мезофильный (30 -35 С), термотолерантный (40 -45С) и термофильный (50 - 60 С). В нашей стране, психрофильный режим, по сравнению с остальными режимами, изучен мало. Данный режим сбраживания широко применяется в Китае, Вьетнаме и Индии [33]. Снижение скорости брожения при психрофильных температурах компенсируется простотой конструкций биореакторов и легкостью их эксплуатации.
В Республике Саха (Якутия) стоимость электроэнергии самая высокая по России, поэтому ни мезофильный, тем более термофильный режимы сбраживания энергетически и экономически невыгодны.
Актуальность работы: в настоящее время в Республике Саха (Якутия) отсутствуют технологии по переработке производимого бесподстилочного навоза крупного рогатого скота. Существуют разные методы и способы по переработке бесподстилочного навоза крупного рогатого скота. Но их широкое использование ограничивается суровыми природно-климатическими условиями региона и существующими в настоящее время формами хозяйствования, сложившимися в животноводстве республики.
Применение технологии анаэробного метанового сбраживания бесподстилочного навоза крупного рогатого скота в биогазовых установках позволит получать не только высококачественное минерализированное органиче-
8 ское удобрение, но и биогаз — источник энергии. Кроме этого, при использовании данной технологии переработки навоза животных будут соблюдены требования охраны окружающей среды.
Цель работы: обоснование и разработка ресурсосберегающей технологии анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза крупного рогатого скота в психрофильном режиме для хозяйственных и природно-климатических условий Республики Саха (Якутия).
На основе поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:
разработать методику адаптации естественной ассоциации мезо-фильных микроорганизмов, заселяющих кишечно-желудочный тракт крупного рогатого скота к психрофильным условиям;
разработать методику и провести экспериментальные исследования в режимах работы накопительной биоэнергетической установки;
разработать методику энерго - и теплотехнического расчета биоэнергетической установки;
обосновать возможность спонтанного перемешивания в накопительной биоэнергетической установке;
обосновать экономическую эффективность применения предлагаемой технологии переработки бесподстилочного навоза крупного рогатого скота в условиях Республики Саха (Якутия).
Объектом исследования являлся технологический процесс ресурсосберегающей утилизации бесподстилочного навоза крупного рогатого скота, основным элементом которого выступает биоэнергетическая установка.
Предмет исследований —режим работы биоэнергетической установки. Научная новизна работы:
1. Получена энергетическая модель накопительной биоэнергетической установки, позволяющая определять выход товарного
9 биогаза в зависимости от климатических, хозяйственных и конструктивных параметров.
2, Выведена теплотехническая модель накопительной био
энергетической установки, согласно которой определяется требуемое
количество теплоты на поддержание режима сбраживания в накопи
тельной биоэнергетической установке.
3. Разработана методика адаптирования естественной мезо-
филыгой метаногенноЙ микрофлоры, заселяющей кишечно-
желудочный тракт крупного рогатого скота к психрофильным усло
виям.
Практическая ценность. Разработана методика адаптирования естественных мезофильных метаногенных микроорганизмов, заселяющих кишеч-но-желудочный тракт крупного рогатого скота к психрофильным условиям. Показана возможность работы биоэнергетической установки анаэробного метанового сбраживания бесподстилочного навоза крупного рогатого скота в накопительном психрофильном режиме, как наиболее подходящем способе переработки в условиях Республики Саха (Якутия).
Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены на: III республиканской научно-практической конференции «Будущее якутского села», состоявшейся 6 апреля 2000 г. в Якутской ГСХА; региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы АПК», 26 февраля по 2 марта 2001 г. в Иркутской ГСХА; региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства», 2002 г.; республиканской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы подготовки специалистов для промышленно-хозяйственного комплекса Республики Саха (Якутия)», 24 января 2003 г. в Якутском ГИТИ; республиканской научно-практической конференции «Вузовская наука — основа подготовки агроспециалистов», 27 -28 марта г. Якутск; в Восточно -
10 Сибїфском ГТУ, 12 ноября 2003 г.; в Бурятской ГСХА, 14 ноября 2003 г.; в
Красноярском ГАУ, 10 декабря 2003 г\
Публикация. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ общим объемом 1,2 печатных листов.
Внедрение. По результатам диссертационной работы внедрена лабора-торная установка для проведения практических занятий на кафедре механизации и электрификации сельскохозяйственного производства Якутской ГСХА. Рекомендации к внедрению в производство приняты Управлением сельского хозяйства Чурапчинского улуса и Министерством сельского хозяйства Республики Саха (Якутия).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Она включает 7 таблиц, 31 рисунок, 5 приложений. Список литературы включает 136 наименований, из них 6 на иностранных языках.
Особенности механизации животноводства в Республике Саха (Якутия)
В 1990-2003 г.г. в ходе аграрной реформы в Республике Саха (Якутия) произошли глубокие организационно-структурные и социально-экономические изменения. Созданы основы многоукладной экономики сельского хозяйства, сформирован широкий круг сельскохозяйственных товаропроизводителей, отличающихся многообразием форм собственности и хозяйствования, осуществлены земельные преобразования, В количественном отношении доля сельхозпредприятий, имеющих государственную форму собственности, составляет 0,4 %, а 99,6 % приходится на частные сельхозпредприятия.
В сельскохозяйственных предприятиях из года в год ухудшается обеспеченность сельскохозяйственными машинами и агрегатами. За период с 1990 года по 2003 год более чем наполовину сократилось наличие сельскохозяйственной техники [84, 102].
По данным Госкомстата [2] Республики Саха (Якутия) во всех видах сельскохозяйственных товаропроизводителей по состоянию на 1 января 2003 года имелось следующее поголовье крупного рогатого скота и свиней (табл. 1,1.). Согласно этих данных, в государственных предприятиях содержится 12490 свиней и 40602 голов КРС, в том числе 17111 коров.
При пересчёте на количество голов в одном хозяйстве получается следующее: - всего государственных сельхозпредприятий 469, на 1 хозяйство приходится 26,6 свиней и 86,5 головы КРС, в том числе 36,5 коровы; - частных сельхозпредприятий 126361, на 1 хозяйство приходится 0,3 свиньи и 2 головы КРС, в том числе 0,7 коровы. Из данного анализа следует, что превосходство в формировании продовольственного рынка по товарности продукции животноводства продолжает оставаться за более крупными государственными сельскохозяйственными предприятиями. Доля личных подсобных хозяйств населения в общем объёме товарной сельскохозяйственной продукции не превышает 20 %. Как показали исследования, проведенные Тархаевым ILO., Степановым А.И., Афанасьевым Д.Е., Саввиновой М.А. и др. уровень механизации животноводческой отрасли остается весьма низким- В настоящее время главными нерешенными проблемами отрасли являются [8, 108, ПО, 112]: - плохая обеспеченность кормами и стойловыми помещениями; - неприспособленность значительного числа скотопомещений «якутского» типа для внедрения механизации производственных процессов; - существующие типовые проектные решения не учитывают жесткие климатические условия республики; - отсутствие мероприятий по обеззараживанию и переработке производимого навоза крупного рогатого скота. Все это отягощается особенностью природного ландшафта Якутии, где процессы самовосстановления и самоочищения происходят значительно медленнее, чем в других регионах России. В зависимости от форм собственности и организации производства авторы работы [104] предлагают следующую классификацию для ферм крупного рогатого скота республики: - комплексно-механизированные (молочные, ремонтного или откор мочного молодняка) фермы совхозов, коллективных предприятий и других хозяйств, отличающихся коллективной формой организации производства. Рекомендуемое поголовье скота на комплексно механизированных фермах 100-400 коров (250-500 голов молодняка); - механизированные молочнотоварные фермы (МТФ) для коллективного производства на 50-100 коров; - малые механизированные МТФ семейного и арендного производства, а также крупных крестьянских хозяйств на 25-50 коров; - малая МТФ для крестьянских хозяйств на 10-20 коров; - стойловое помещение для личного подсобного хозяйства на 3-Ю коров. Обработка данных по управлению сельского хозяйства Чурапчинского улуса республики дало обоснование произвести следующую градацию по количеству поголовья коров в животноводческих хозяйствах на; 27, 54, 83 и 113 гол. Механизация основных производственных процессов на комплексно-механизированных фермах с поголовьем 100-400 коров осуществляется с помощью серийного отечественного оборудования» В качестве привязи для коров и нетелей используется стойловое оборудование ОСК-25Б, укомплектованные индивидуальными автопоилками АП-1А В животноводческом помещении на высоте 2-2,5м сооружается водонапорная емкость, обеспечивающая не менее чем 1,5-2-суточный запас воды. Вода - привозная на автотранспорте. В кормоцехах используют в основном механические способы обработки кормов. Они включают очистку, мойку, измельчение, смешивание и др- Кроме этого, используется тепловой способ обработки кормов посредством запаривания. При приготовлении кормов применяют следующие оборудования: погрузка грубых кормов и силоса — погрузчик фронтальный ПФ — 0,5; грубые корма измельчают дробилкой - измельчителем ИРТ - Ф - 80; дробление зерна - дробилка молотковая ДКМ-5; приготовление кормосмесей -смесители кормов СКО - Ф - 61; запаривание грубых кормов - при помощи котла-парообразователя КОФ-500. Раздача крупному рогатому скоту грубых и сочных кормов производится кормораздатчиком мобильным, универсальным KTY-10 А. Доение коров осуществляется доильными агрегатами АДМ — 8 А-1 и ДАС-2 Б, Молоко охлаждают и хранят на короткое время в резервуаре — охладителе РПО - 2,5.
Энергетическая модель накопительной биоэнергетической установки
По результатам своих исследований ряд авторов пишут, что для процес са важна относительно постоянная температура сбраживания, что изменение температуры влияет только на скорость процесса, а не на количественный состав образующихся продуктов [10,32,58]. В нашей стране практическое применение получил термофильный режим сбраживания, ввиду его макси мального санитарно- гигиенического эффекта. За рубежом в основном при меняется менее энергоемкий мезофильный режим [33]» Автор работы [67] говорит, что хотя при термофильной обработке требуется меньше времени для достижения желаемой степени очистки, чем при мезофильной, до настоящего времени не доказаны практичность и рентабельность термофильных условий. При этом добавляет, что при пониженной температуре снижается скорость роста и продуцирования метаногенных микроорганизмов. Поэтому, при низких температурах продолжительность пребывания органических веществ в должно увеличиваться. В результате обобщения большого массива экспериментальных данных Швериным была получена зависимость, показывающая равный выход биогаза на 1 г загруженного и распавшегося органического вещества осадка в мезофильном и термофильном режимах[33]. Экспериментальные исследования Просвирнина В.Ю. и Евтее-ва BJC также не установили особой разницы между этими двумя режимами по выходу биогаза [45], Аналогичный результат был получен Дубровским B.C. при изучении сбраживания свиного навоза [42]. В этих исследованиях был сделан вывод, что при бесконечно длительном сбраживании выход биогаза приближается к теоретически возможному независимо от температуры процесса и зависит от состава сырья
Для нормального функционирования анаэробной биоэнергетической установки в мезофильном и термофильном режимах необходимо строгое поддерживание температуры. Колебание температуры в этих режимах сразу отражается на показателях процесса. Авторы работы [33] подчеркивают, что чем выше температура сбраживания, тем уже пределы сё колебаний. Допустимое колебание при температуре 38 С составляет ±2,8 С, а при 53-55 С оно равно ±0,3 С. Поэтому, в условиях Якутии применение этих режимов однозначно приведет к избыточным затратам электроэнергии, требуемых для поддержания оптимальных температур сбраживания в реакторах биоэнергетической установки.
Долгое время существовало мнение, что между мезофильным и термофильным режимами, при температурах 40-45 С (термотолерантный режим сбраживания) скорость газовыделения резко падает» Однако исследованиями последних лет это положение не подтверждается. Баадер пишет [10], что прерывистый характер протекания функции объясняется заменой мезофиль-ного штамма бактерий на термофильный. Согласно новейшим исследованиям такая прерывистость не существует, В работах Мосводканала было установлено, что процесс брожения эффективно происходит и при температуре 40 С. Выход биогаза при продолжительности сбраживания 7 суток (Д=14 %) был на 5-8 ниже, чем при температуре 55 С [33]. Исследования Мовсесова Г.Е. и Павличенко В.Н. [76] также показали эффективность сбраживания при 40 С. Этот температурный режим был заложен в основу технологии двух-стадийного сбраживания и показал высокую эффективность процесса по скорости (3-5.суток), глубине сбраживания органических веществ (до 40 %) и выходу биогаза (до 2 м /м объема реактора) с положительным энергетическим балансом. Данные этих исследований легли в основу разработки промышленной технологии и комплекта оборудования К-Р-9-1 типа «Ко-бос»[47].
Был разработан и испытан двухступенчатый метод получения биогаза в термотолерантном режиме с применением вакуумно-гидравлического способа перемешивания массы [88]. О благоприятности условий протекания биохимических превращений свидетельствовали показатели активной кислотности (рН=7,2), уровень снижения ЛЖК (до 215-323 мг/л), а также глубина распада органических веществ {30-40 %), соответствующая сохранению сброженной биомассой максимального удобрительного потенциала. Исследователи Зацепин С,С. и др. [49] показали, что предварительное выдерживание навоза в микроаэрофильных условиях перед его загрузкой в метантенк интенсифицирует процесс метанообразования. Но при этом отмечают, что положительный результат достигается при выдерживании около 2 суток.
В вышеприведенных работах показано, что предварительное выдерживание навоза в микроаэрофильных условиях интенсифицирует процесс метанообразования. Но Дубровский B.C. и Виестур У.Э. [42] утверждают, что при хранении субстрата в нем повышается содержание летучих жирных кислот, свидетельствующее о том, что исходное сырьё для процесса анаэробной переработки уже не свежее. Такое сырье при загрузке в биореактор оказывает неблагоприятное воздействие на процесс: понижает рН среды, изменяет оптимальное соотношение микроорганизмов в биореакторе, вследствие чего может нарушиться нормальный ход процесса. Это говорит о том, что данные по этому вопросу весьма противоречивы.
ПсихрофильныЙ режим сбраживания, по сравнению с мезофильным, термотолерантным и термофильным режимами, изучен мало. В работе [111] описывается работа биоэнергетической установки, биореактор которой находится под зданием свинарника на 300 голов. Температура внутри биореактора в зимний период года не превышает 13 С, поэтому требуется несколько больше времени для выдержки субстрата,
Описание лабораторной установки для проведения экспериментов по анаэробному метановому сбраживанию
Влажность загружаемого навоза приняли в 90 %. При этой влажности навоз имеет хорошую текучесть, уменьшаются затраты на его хранение, обработку и транспортирование, экономится чистая вода, а также относительно смягчается потенциальная возможность загрязнения окружающей среды.
Согласно ОНТП 1 - 77 влажность нативного навоза КРС - 86..,87 % [17» 57, 71, 72, 74, 93]. Влажность бесподстилочного навоза, привозимого с фермы, равнялась 88 %. Для создания необходимой влажности в 90 % свежий навоз разбавляли водой. Согласно источника [14], питательные среды, имеющие неопределенный состав, т.е. включающие растительные, животные и микробные добавки, обычно готовятся на водопроводной воде. Дистиллированную воду вносят, как правило, при применении сред, приготовленных из чистых химических соединений. Исходя из этого, использовали предварительно отстоянную водопроводную воду с температурой, соответствующей температуре сбраживания,
С целью отслеживания влажности сбраживаемого субстрата, а также для оценки параметров: энергосодержание и выход биогаза с единицы загружаемого абсолютно сухого вещества, осуществляли анализы свежего навоза, подготовленного субстрата и шлама на влажность и зольность.
Анализы проводили по общепринятым методикам с использованием: весов лабораторных равноплечих класса 3 модели ВЛР-1, с допустимой погрешностью ±10 мг; сушильного прямоугольного шкафа ШС-40; муфельной печи; эксикатора; бюксов и тиглей. При определении влажности и зольности эффлюента с каждого опыта брали по три пробы. При определении влажности бюксы, вымытые и высушенные при температуре 105 С, взвешивали (т э). Затем в бюксы загружали нативный навоз (приготовленный к загрузке навоз, шлам) — навеска 2/3...3/4 объема бюксы. Наполненные бюксы взвешивали (т і) и высушивали в течение 5...6 часов при температуре 80,,.90 С Затем, повышали температуру в сушильном шкафе до 105 Си сушили в течение 15... 18 часов. Охлажденную в эксикаторе высушенную навеску взвешивали {т 2)- Влажность определяли по формуле: При определении зольности, заранее вымытые и высушенные тигли взвешивали (т 5)- Затем, взвешивали в тиглях массу (т б), высушенную при определении влажности. Ставили тигли в муфельную печь, включали печь, устанавливали температуру в 600 Сив течение 20.-30 мин постепенно сжигали высушенную массу. Тигли с золой охлаждали в эксикаторе в течение 5 . Л0 часов и взвешивали (т4). Зольность определяли по формуле: 3.5. Планирование и обработка результатов эксперимента Для составления плана эксперимента важно точно выбрать параметры, соответствующие поставленным целям исследования и дающие наиболее полную характеристику проводимому эксперименту. Согласно целям эксперимента, осуществляется поиск условий по максимальному выходу биогаза в накопительной биоэнергетической установке в условиях Республики Саха (Якутия). Это ведёт, по своей сути, к поиску максимального выхода энергии, Но? как оговаривалось выше, энергетическая ценность биогаза зависит, прежде всего, от количества в нем реального носителя энергии - метана. Исходя из этого, для исследования энергетических возможностей накопительной биоэнергетической установки принимаем следующие параметры: - дающие косвенную оценку поведения системы: выход биогаза с единицы рабочего объема реактора, выход биогаза с единицы загружаемого абсолютно сухого органического вещества; - предложенные Евтесвым В.К. [44] и позволяющие оценить непосредственно энергетическую потенцию биоэнергетической установки: энерговыделение и энергоотдача. Выход биогаза с единицы рабочего объема реактора - Y і (м3 /м3 РОФ), характеризует объемную количественную сторону процесса: позволяет оценить и скорость обработки субстрата. Выход биогаза с единицы загружаемого абсолютно сухого органического вещества - Y 2 (м3/кг АСОВ), характеризует объемную качественную сторону процесса: указывает па качество обработки субстрата, стабилизацию органического вещества, Энерговьгделение - Y 4 (Дж / сут-м3 РОФ), характеризует энергетическую количественную сторону процесса анаэробного сбраживания, т.к, отражает эффективность работы единицы рабочего объема биореактора. Энергоотдача - Y 5 (Дж / сут-кг АСОВ), характеризует качественную энергетическую сторону процесса анаэробного сбраживания. Это связано с тем, что она выражает степень конверсии энергии органического вещества в энергию биогаза. Первоначально были проведены поисковые эксперименты. По их результатам и ранжированию факторов, в опытах было решено варьировать следующими управляющими факторами: температурой среды сбраживания -х і ( С) и периодичностью загрузки субстрата в реактор — х 2 (сут). В связи с тем, что в психрофильном режиме работы БЭУ скорость роста метаногенных микроорганизмов низкая, то требуется некоторое время для их продуцирования. Поэтому были выбраны следующие величины периодич-ностей загрузок субстрата — через двое и через четверо суток. Температуры сред сбраживания выбраны в 35 С ± 0,2 — мезофильный режим и в 20 С ± 0,2 - психрофильный режим работы БЭУ.
Результаты опытов по исследованию режимов работы накопительной биоэнергетической установки по анаэробному сбраживанию бесподстилочного навоза крупного рогатого скота
В результате проведения опытов в соответствии с матрицей планирования эксперимента (табл. ЗЛ) получены значения выхода биогаза с единицы рабочего объема биореактора, выхода биогаза с единицы загружаемого абсолютно сухого вещества, степени разложения органического вещества сбраживаемого субстрата, зольности шлама (сброженного субстрата), энерговьь деления и энергоотдачи. Полученные значения параметров технологии анаэробного сбраживания в накопительной БЭУ представлены в таблице (4.2).
Обработка результатов опытов осуществлена одним из методов статистического анализа - методом наименьших квадратов (МНК). Имитационная модель выхода биогаза с единицы рабочего объема биореактора: Для проверки гипотезы об адекватности модели реальному физическому процессу использовали критерий Фишера (F-критерий), расчетное значение которого составляет 445,8. F-статистика имеет распределение с одной и тремя степенями свободы. Табличное значение F-статистики при 5 % уровне значимости равно 10,1. Следовательно, при данном уровне значимости гипотеза о том, что уравнение регрессии незначимо, должна быть отвергнута. Проверку значимости отдельных коэффициентов (параметров) уравнения регрессии проводили построением доверительного интервала и по критерию Стьюдента (t-критерию), который для Х\ составляет ОД, а для х2 - 1,65, Табличное значение t-критерия для 5 %-го уровня значимости при трех степенях свободы равно 3,182. Следовательно, для параметров Х и х2 принимается нулевая гипотеза незначимости. Ошибки проведенных опытов определяли также по критерию Стьюден-та (t-критерию). Расчетные значения данного критерия по каждому опыту следующие: ti = -0,82; %2 = -0,93; t3 = 0,88; t4 0,82. Значения t-критсриев оказались меньше табличного критерия tT- 3,182. Отсюда сделан вывод, что все опыты проведены корректно. Из проделанного статистического анализа модели (4.1) следует, что на выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора существенное влияние оказывает фактор периодичности загрузки субстрата в реактор. Температура сбраживания влияет только на скорость протекания реакции. Поэтому коэффициент Xi получился минимальным. Имитационная модель степени разложения органического вещества, загружаемого в реактор: Расчетное значение F-критерия составляет 444,4, F-статистика имеет распределение с одной и тремя степенями свободы. Табличное значение F-статистики при 5 % уровне значимости равно 10,1- Следовательно, при данном уровне значимости гипотеза о том, что уравнение регрессии незначимо, должна быть отвергнута. Проверка значимости отдельных коэффициентов (параметров) уравнения регрессии проведена по критерию Стьюдента (t-критерию), который для X] составляет 0,07, а для Х2 — 1,73. Табличное значение t-критерия для 5 %-го уровня значимости при трех степенях свободы равно 3,182- Следовательно, для параметров Х] и х2 принимается нулевая гипотеза незначимости. Определение ошибки опытов проведено также по критерию Стьюдента (t-критерию). Расчетные значения данного критерия по каждому опыту следующие: t] = - 0,82; t2 = - 0,91; t3 = 0,86; t4 = 0,82. Все расчетные t-критериев оказались меньше табличного критерия tT = 3,182- Отсюда сделан оказались меньше табличного критерия tf — 3,182- Отсюда сделан вывод, что все опыты проведены корректно. Из проделанного статистического анализа модели (4,2) следует, что фактор периодичности загрузки субстрата в реактор оказывает существенное влияние на степень разложения органического вещества. Имитационная модель зольности шлама (сброженного субстрата): Расчетное значение F-критерия составляет 459,3. F-статистика имеет распределение с одной и тремя степенями свободы. Табличное значение F-статистики при 5 % уровне значимости равно 10,1. Следовательно, при данном уровне значимости гипотеза о том, что уравнение регрессии незначимо, должна быть отвергнута. Проверка значимости отдельных коэффициентов (параметров) уравнения регрессии проведена по критерию Стьюдента (t-критерию), который для Xi составляет 0,096, а для х2 - 1,73. Следовательно, для параметров Xi и х2 принимается нулевая гипотеза незначимости. Определения ошибок опытов проведены также по критерию Стьюдента (t-критерию). Расчетные значения данного критерия по каждому опыту следующие: t, = - 0,82; t2 = - 0,96; t3 = 0,87; U = 0,82. Все расчетные t-критериев оказались меньше табличного критерия tT= 3,182. Отсюда сделан вывод, что все опыты проведены корректно. Из проделанного статистического анализа модели (4.3) следует, что фактор периодичности загрузки субстрата в реактор оказывает существенное влияние также и на степень зольности шлама (сброженного субстрата). Имитационная модель выхода биогаза с единицы загружаемого в реактор абсолютно сухого вещества: Расчетное значение F-критерия составляет 441,5- F-статистика имеет распределение с одной и тремя степенями свободы. Табличное значение F-статистики при 5 % уровне значимости равно 10,1- Следовательно, при данном уровне значимости гипотеза о том, что уравнение регрессии незначимо, должна быть отвергнута. Определения ошибок опытов проведены также по критерию Стьюдента (t-критерию). Расчетные значения данного критерия по каждому опыту следующие: t = - 0,82; t2 = - 0,93; t3 = 0,88; t4 = 0,82. Все расчетные t-критериев оказались меньше табличного критерия tT= 3,182. Следовательно, все опыты проведены корректно. Проверки значимости отдельных коэффициентов (параметров) уравнения регрессии проведены по критерию Стьюдента (t-критерию) и построением доверительных интервалов. Коэффициенты регрессии, кроме bo, оказались незначимыми.
