Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Состояние вопроса производства удобрений и задачи исследований 5
1.1 . Требования к органическим удобрениям и способы их получения из жидкого навоза 5
1.2.Биогазовые установки - наиболее эффективные устройства для получения удобрений 24
Выводы, цель и задачи исследований 38
Глава 2. Теоретические исследования процесса обработки навоза в метантенках 39
2.1. Исследование процесса движения флотируемой массы в камере сбраживания метантенка 39
2.2. Определение исходных данных для расчета метантенка 56
Выводы 65
Глава 3. Экспериментальные исследования режимов процесса получения жидких органических удобрений в реакторах с направляющими конусами 66
3.1. Программа и методика исследований 66
3.2.Результаты опытов и их анализ 70
3.3.Методика инженерного расчёта метантенка с направляющими конусами 80
Глава 4. Результаты хозяйственной проверки биогазовой установки в полевых условиях и её технико-экономическая оценка 88
4.1. Результаты хозяйственных испытаний опытного образца биогазовой установки 88
4.2. Технико-экономическая оценка биогазовой установки 96
Общие выводы 102
Список использованных источников 104
Приложения 114
- Требования к органическим удобрениям и способы их получения из жидкого навоза
- Исследование процесса движения флотируемой массы в камере сбраживания метантенка
- Программа и методика исследований
- Результаты хозяйственных испытаний опытного образца биогазовой установки
Введение к работе
За последние годы в России значительно изменилось состояние сельскохозяйственных звхмель. Количество гумуса в них резко уменьшилось. Так, по данным Россельхозакадемии (А.Н.Каштанов) в настоящее время применение органических удобрений на полях страны сократилось в 8 — 10 раз.
В тоже время необходимо отметить, что во многих европейских странах, особенно в Германии, Финляндии, Голландии и др., роль органических удобрений в деле повышения плодородия почвы значительно возросла и фермеры начинают переходить на так называемое «органическое земледелие».
Одним из основных видов органических удобрений является навоз и помет, которых, по расчетным данным, в стране ежегодно образуется около 540 млн.тонн.
Однако без соответствующей переработки использовать их в качестве удобрения не рекомендуется т.к. они содержат такие опасные загрязнения как болезнетворные микроорганизмы, зародыши гельминтов, семена сорных растений и др.
Одним из наиболее перспективных является метод переработки навоза в анаэробных условиях с помощью биогазовых установок с одновременным получением горючего газа метана и жидкого органического удобрения.
Однако в современных биогазовых реакторах при обработке навоза всегда имеют место проскоки необработанного навоза, что ведет к повторному заражению сброженной биомассы и внесению в почву семян сорных растений, и в конечном итоге к снижению эффективности обработки.
В связи с этим, основной целью настоящей диссертационной работы, является разработка биогазовой установки, для производства высококачественных органических удобрений полностью обеззараженных и обезвреженных от гельминтов и семян сорных растений.
Основные положения и результаты исследований доложены на
технических совещаниях специалистов в ВНИКОМЖ г. Москва и в
ВНИПТИОУ г. Владимир 8-10 октября 2002года и на 3-й Международной
научно-технической конференции 14-15 мая 2003 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ.
Работа проведена в отделе биоэнергетики и охраны окружающей среды
Государственного научного учреждения ВИЭСХ в соответствии с заданием
РАСХН 03.02.04 Ф «Разработать новые биогазовые технологии в системах
утилизации навоза и навозных стоков на животноводческих фермах и
птицефабриках», а также концепцией фундаментальных исследований в
системах утилизации навоза.
Отдельные задачи исследований по разделению навозных стоков на
фракции перед подачей их на обработку в анаэробный реактор были решены
при выполнении заданий ВНИКОМЖ в 1999 - 2001 гг, в которых автор
принимал участие в качестве консультанта.
Требования к органическим удобрениям и способы их получения из жидкого навоза
При определении значений важнейших показателей качества органических удобрений исходят из требований действующих нормативных документов (ГОСТ, ОНТП, ВСН, ТУ), методических указаний, рекомендаций, результатов многочисленных аналитических исследований.
Общие требования безопасности в технических условиях устанавливаются в соответствии с системой ГОСТ ССБТ. Требования охраны окружающей среды - согласно инструкции «Контроль за соблюдением регламентов транспортирования, хранения, складской переработки и внесения твердых и жидких минеральных, органических удобрений и химических мелиорантов». Правила приемки органических удобрений определяются законом РФ «О защите прав потребителей». Отбор проб и анализ органических удобрений проводят методами, утвержденными такими организациями, как Госстандарт, Госкомсанэпидемнадзор, Минсельхозпрод и Минприроды России. Требования к средствам транспортирования и условиям хранения органических удобрений определяют в соответствии с основными положениями типовых технологий производства и внесения органических удобрений. Указания по применению органических удобрений составляют согласно рекомендациям по их эффективному использованию [60, 58,48].
Технические условия включают 9 разделов. В разделе «Область применения» определена обязательность использования разработанных и утвержденных нормативных документов на предприятиях и в организациях АПК России. Требования к качеству органических удобрений, указанных в технических условиях, должны обеспечить безопасность жизни, здоровья населения, охрану окружающей среды.
В разделе «Технические требования» установлены нормативные требования к свойствам органических удобрений. Согласно основным положениям органические удобрения не должны являться факторами передачи возбудителей инфекционных и инвазионных болезней, оказывать негативное влияние на ветеринарно-санитарное и гигиеническое состояние окружающей среды. В качестве удобрений допускается применение лишь обеззараженного навоза и помета, в 10 г пробы которых отсутствуют патогенные бактерии группы кишечной палочки и энтерококки. Готовые к внесению в почву органические удобрения не должны содержать жизнеспособные яйца и личинки гельминтов, концентрация в них ксенобиотиков (тяжелые металлы, остаточные количества пестицидов) не должна превышать нормативы их содержания в почве, установленные Госкомсанэпидемнадзором РФ. Указанные в технических требованиях ограничения по размеру и массовой доли балластных включений в органических удобрениях определяются в соответствии с требованиями технической документации на средства их транспортирования и внесения. Остатки кормов, посторонние механические включения в органических удобрениях не должны оказывать негативного влияния на их химический состав и качество внесения. Массовую долю сухого вещества в органических удобрениях устанавливают в зависимости от норм ГОСТ 20432-83 и способов их внесения. Значения рН удобрений определяются в соответствии с ГОСТ 17.3.3.06. Минимально допустимые концентрации макроэлементов соотносятся с нормативами их содержания в органических удобрениях.
Условия, обеспечивающие снижение нагрузок на почву, поверхностные и грунтовые воды, атмосферный воздух при выполнении технологических операций с органическими удобрениями, приведены в разделе «Требования охраны окружающей среды». В материалах технических условий представлены способы обеззараживания и обезвреживания твердых, полужидких, жидких органических удобрений, навозных и пометных стоков.
Технические условия включают требования t к средствам транспортирования и хранения органических удобрений, правила их применения. В приложениях указаны рекомендуемые нормы, сроки внесения органических удобрений под различные сельскохозяйственные культуры. Все требования, изложенные в технических условиях, взаимосвязаны с основными положениями более 60 отечественных и иностранных нормативных документов. Выполнение указаний технических условий позволит упорядочить требования к качеству приготовления и хранения органических удобрений, повысить эффективность их применения. Использование органических удобрений, соответствующих требованиям технических условий, увеличит прибавки урожая на 0,1-0,4 ц зерн.ед. от 1 т удобрений в зависимости от их вида, повысит качество продукции растениеводства, снизит нагрузки на окружающую среду в зонах функционирования животноводческих и птицеводческих предприятий.
Способы обработки жидкого навоза в основном определяются и физико-механическими и санитарно-биологическими свойствами. Для выбора наиболее эффективного способа рассмотрим свойства навоза.
В жидком навозе имеется в наличии основные элементы питания растений. Так, по данным [48, 51] табл. 1.1.азот, фосфор, калий имеются как в твердых, так и в жидких экскрементах КРС.
Питательные элементы в жидком навозе находятся в доступной для растений форме. Например, 50...70 % азота находится в растворенной форме, которая хорошо усваивается растениями в первый же год. Остальное количество органически связанного белкового азота усваивается позднее, по мере минерализации органического вещества. Калий так же представлен в растворимой форме и легко усваивается растениями, а органически связанный фосфор используется лучше, чем фосфор минеральных удобрений [8,37].
Физико-механические свойства жидкого навоза КРС оказывают существенное влияние на процесс его переработки. К данным свойствам относятся: влажность, плотность, вязкость, гранулометрический состав, коэффициент трения скольжения.
Наиболее важным показателем является влажность, так как другие показатели, характеризующие физико-механические свойства жидкого навоза, зависят от этого показателя анализ результатов исследований реологических свойств и закономерностей движения жидких органических отходов [6,14,22] показывает, что при влажности W 90 % этот материал обладает свойством текучести. Зависимость динамической вязкости ( ц ) и предельного напряжения сдвига (t) от влажности навоза ( W) показана на рис. 1.2. [ 21,28 ]. Как видно из графиков с уменьшением влажности навоза динамическая вязкость предельное напряжение сдвига существенно возрастают, причем при влажности массы ниже 90 % очень значительно, что свидетельствует об ухудшении текучести материала. Навозная масса характеризуется коэффициентом липкости, который зависит от рациона, кормления, влажности и степени разложения навоза, возраста животных, а так же от материала контактируемой поверхности [ 24,30, 10].
Исследование процесса движения флотируемой массы в камере сбраживания метантенка
Общим недостатком известных биогазовых установок является тот факт, что процесс движения каждой частицы сброженной массы устанавливается только объемом метантенка, носит хаотичный характер и ничем не регулируется.
В таких установках практически всегда происходят проскоки недоброженной и необеззараженной массы вместе с массой готового удобрения, выгружаемого из метантенка. Это обстоятельство может привести к снижению качества получаемых удобрений.
Для определения массы необезвреженного навоза («проскоков») рассмотрим условия их образования: 1) Условием сбраживания навоза в метантенке полного смешивания является удвоение биомассы микроорганизмов (при термофильном режиме время удвоения составляет 10 суток для навоза КРС). 2) Вторым условием активного брожения является качественное перемешивание биомассы в метантенке, т.е. должен быть обеспечен постоянный массообмен между органическими материалами, находящимися в навозе, и анаэробными микроорганизмами, образующимися в процессе брожения. 3) Условием обеззараживания от патогенной микрофлоры -продолжительность экспозиции навоза в метантенке не менее 3-х суток. 4) Условием девитализации семян сорных растений -продолжительность экспозиции навоза в метантенке не менее 5-х суток. Необходимым и наименее изученным является процесс свободного обмена веществ на поверхностях раздела фаз, который обеспечивается только в том случае, если вязкость сбраживаемой массы допускает свободное перемещение в жидкости взвешенных частиц, бактерий и пузырьков газа. Верхний предел содержания в сбраживаемой массе сухого вещества, при котором еще возможно принудительное перемешивание указанных компонентов по всему объему реактора, составляет 10-42%. Проведенный анализ действующих биогазовых установок показывает, что практически во всех реакторах имеются устройства для принудительного перемешивания сбраживаемого субстрата.
Перемешивание сбраживаемой массы в метантенках обычно осуществляется: механическими мешалками различной формы рис.2.1а, барбатированием биогаза через барботажные устройства, расположенные в нижней части реакторов рис.2.16 и гидравлическим путем посредством погружных и циркуляционных насосов рис.2.1 в.
Рассмотрим, какие же преимущества и недостатки имеются у современных перемешивающих устройств.
Очевидным преимуществом является тот факт, что при принудительном перемешивании реактора обеспечивается равномерное температурное поле, увеличивается контакт микрофлоры с питательной средой, уменьшается коркообразование в верхней зоне реактора и тем самым увеличивается глубина разложения органики и газовыделения. При перемешивании практически всегда происходит проскок свежей несброженной массы вместе с выгружаемым удобрением, а это значит, что в выгружаемой массе находятся семена сорных растений, болезнетворные микроорганизмы и неразложившаяся часть органики. Кроме того, что при перемешивании содержимого реактора биогазом, интенсифицируется процесс флотации взвешенных веществ в зону метантенка, что ведет к повышенному коркообразованию, препятствующему биогаза и вызывающему ингибирование микроорганизмов, участвующих в процессе брожения. Некоторые преимущества, перед принудительным, имеет естественное перемешивание за счет всплытия /флотации пузырьков биогаза по всему объему метантенка. Дело в том, что скорости движения массы при естественном перемешивании значительно меньше критических и не оказывают губительного воздействия на анаэробные микроорганизмы. Представленные устройства обеспечивают качественное 100% перемешивание биомассы в метантенке и контакт анаэробных микроорганизмов с органической массой навоза. В этом случае вначале при ежедневной загрузке метантенка навозом в нем будет находится 10% свежего, несброженного и необезвреженного навоза, и в таком же соотношении в каждой дозе выгруженного через шлюзовую камеру эффлюента. После выхода на непрерывный режим сбраживания процентное соотношение необеззараженного навоза будет уменьшаться с 10% в первый день до 5% по окончании запуска метантенка [3, 19,25].
Таким образом, ежедневно вместе со сброженной биомассой будет выгружаться до 5% несброженного навоза, что неприемлемо для приготовления удобрений высокого качества. Применение направляющих конусов в метантенках позволяет устранить этот недостаток.
Действительно, если проанализировать характер движения частицы сбраживаемой массы от начала ее поступления в метантенк и до ее выгрузки, то можно констатировать следующее.
Поступившая, как правило, в нижнюю часть метантенка частица подвергается воздействию пузырьков биогаза, образующихся по всему объему метантенка, и эту частицу пузырьки биогаза флотируют к месту выгрузки или через малый промежуток времени, за который она не сможет достаточно разложиться и обеззаразиться, или за достаточно большой, энергетически неоправданный промежуток времени.
Программа и методика исследований
Для проведения экспериментов разработана лабораторная установка для сбраживания навоза, схема котрой представлена на рис.3.1. Установка состоит из прозрачной емкости 1, выполненной из оргстекла, которая сверху закрывается съемным колпаком 2, имеющим патрубок 3 для вывода образующегося биогаза. Внутри емкости 1 расположены: - трубка с воронкой 4 для залива исследуемого материала, получаемого после обработки на центрифуге исходного навоза КРС; - трубка с воронкой 5 для вывода сброженной массы; - усеченные тонкостенные конусы 6, поверхность которых служит для направления движения всплывающих пузырьков биогаза. Емкость 1 помещена в емкость 7, внутри которой находится жидкость, подогреваемая нагревателем 8, имеющим блок регулирования нагрева. Для контроля температуры внутри емкости 1 установлен термометр 9. Воронка 5 может сниматься, благодаря чему имеется возможность устанавливать и заменять направляющие конуса. В программу экспериментальных исследований входило: - физическое моделирование процесса флотации в лабораторной установке; - определение физико-механических свойств исходного материала; сфлотированной массы и сброженной части; - определение скорости подъема пузырьков биогаза; - экспериментальная проверка теоретических выводов и положений, изложенных в главе 2 (угла наклона образующей поверхности конуса к горизонтальной плоскости, скорости подъема пузырьков биогаза); -оценка производительности установки по пульпе. При физическом моделировании на лабораторной установке (модели) воспроизводилось изучаемое явление-флотация с сохранением вначале процесса физико-механических свойств исследуемого материала жидкой фракции навоза КРС, полученной после разделения исходного навоза на фракции на центрифуге [9, 10].
Взвешивание производится на аналитических весах WA-Z1 с точностью измерения - 10 мг. Для высушивания на весах (до постоянной массы) используется сушильный шкаф 2В-15 с температурой нагрева до 105 С. Значения плотности, динамической вязкости находятся по зависимостям их от влажности навоза, которые приведены в разделе 1.1.
Приведенная на рис. 1.1 зависимость коэффициента трения скольжения от влажности навоза, построенная на основе метода наложения слоя материала на наклонную плоскость, не отражает сущности физического процесса движения массы с пузырьками биогаза по направляющей поверхности конуса. Были изготовлены съемные конусы из листового железа толщиной 0,8-1,0 мм. При этом каждая пара конусов имеет угол наклона образующей к горизонтальной плоскости в диапазоне 20 - 40 . Внутри емкости 1 устанавливается пара конусов, после чего модель подготавливается к работе. Емкость 1 вначале заполняется водой. Далее через воронку 4 заливается навоз до уровня закрепления нижнего конуса.
Порядок проведения эксперимента следующий. Емкость 1 заполняется жидким навозом, влажность которого определена перед опытом и обозначена как - WHCX, до уровня воронки 5, после чего измеряется высота столба Н.
Устанавливается термофильный режим и фиксируется время начала работы по истечении 5 суток, когда установлен стабильный процесс брожения, производится залив 20% объема от первоначального объема исходного навоза. Одновременно с этим из емкости 1 выводится такой же объем пульпы, после чего производится определение влажности этой пульпы Wn и влажности массы - WC6, оставшейся в емкости. Приняты . известные значения плотностей: . исходного навоза - p = 1000 кг/м3 и биогаза -рг = 1 кг/м3 [28]. Далее по полученным данным рассчитывается средняя скорость подъема пузырьков биогаза. Данный опыт производится не менее 3-х раз [9].
Проверка теоретических рекомендаций, изложенных в главе 2, осуществлялась путем сравнения расчетных значений, полученных по этим рекомендациям, с экспериментальными данными.
Производительность лабораторной установки по пульпе находится путем измерения толщины слоя образовавшейся сфлотированной массы за определенный промежуток времени: 10, 15 и 20 суток. С целью обеспечения возможности фиксирования данного параметра используется методика послойного заполнения емкости 1 перед опытом по аналогии с опытом определения коэффициента трения скольжения пульпы, описанным выше. Данные опыты проводятся не менее 5 раз [9].
Результаты хозяйственных испытаний опытного образца биогазовой установки
Испытания проводились на ферме со среднегодовым содержанием 5800 голов КРС ГУП ПНО «Пойма» Московской области и ежегодным выходом жидкого навоза влажностью 89- 90% около 58 тысяч тонн. В таком количестве навоза содержится: азота (N) - 185т, фосфата (Р2О5) -104 т, калия (К20) - 290 т.
Существующая технология использования навоза предусматривает хранение его в течение 6 месяцев в открытых навозохранилищах и последующим внесением в качестве удобрения на пастбища, площадь которых составляет 858 га. Часть жидкого навоза смешивается с другими органическими отходами хозяйства на площадке с твердым покрытием и также используется на сельскохозяйственных угодьях, общая площадь которых составляет 5401 га. Ежегодные потери общего азота при существующей технологии использования навоза составляет около 75 тонн. Кроме того, такой навоз обсеменен семенами сорных растений, болезнетворными микроорганизмами и другими загрязнениями. С целью получения высококачественных органических удобрений из навоза КРС в настоящее время введена в действие опытная биогазовая установка производительностью 6,5 тонн в сутки с объемом реактора 65 м3, общий вид которой изображен на рис.4.1. Проіраммой испытаний предусматривалось: 1. Приготовление исходного навоза для производства жидких удобрений в биогазовой установке. Исходный навоз должен иметь влажность в пределах 90 - 92%. „ 2. Осуществление процесса анаэробного сбраживания в термофильном режиме ( t = 53 - 55 С) и производительности в диапазоне 6,5 - 7 т/сут. 3. Получение проб исходного и сброженного навоза при вышеуказанных условиях и передача этих проб специализированным организациям для их оценки но удобрительным свойствам и обеззараживанию от семян сорных растений, гельминтов и болезнетворных микроорганизмов. 4. Определение динамики выхода биогаза при сбраживании исходного навоза влажностью 91% и температурах 53 - 55С. Методика данной работы включала: - Измерение суточной дозы загрузки (объемным методом по уровнемеру, установленному в дозаторе); - Определение а.с.в. (абсолютно сухого вещества), высушивание в термостате при температуре 100-105С в течение 6-10 часов до постоянной массы; - Определение о.в. (органического вещества), определяется по разности между а.с.в. и зольным остатком, полученным при прокаливании пробы в муфельной печи при 600 С в течение одного часа; - Измерение рН производилось на рН литре модели 340 при легком перемешивании субстрата; - Определение содержания азота и фосфора на автоматическом анализаторе «Техникой» (модель р2, вариант 2), содержание калия измерялось с помощью метода пламенной спектрометрией при излучении; - Контролирование выхода биогаза осуществлялось ротационным газовым счетчиком; - Определение качественного состава биогаза (% содержания СН4 и С02) производилось методом газо-адсорбционной хроматографии, в которой неподвижной фазой является твердое тело-абсорбент, и разделение происходило за счет различной абсорбируемости компонентов смеси.
Определение эксплутационной надежности биогазовой установки сводилось к испытанию агрегатов, механизмов и узлов установки с движением технологических потоков по замкнутым контурам (нагрев, загрузка и выгрузка навоза, о і вод газовой фазы, частота включений оборудования и переключателей потоков).
Результаты полевых испытаний опытного образца. Результаты испытаний биогазовой установки по обеззараживанию навоза от болезнетворных микроорганизмов, семян сорных растений и яиц гельминтов показали, что при температуре 53-55С и производительности 6,5 т/сутки происходит полное обеззараживание навоза от вышеуказанных загрязнений.
При производительности установки свыше 6,5 т/сугки по удобрениям наблюдаются проскоки необеззараженного навоза, что позволяет при данной конструкции рекомендовать увеличить производительность но сбраживаемому навозу свыше 6,5 т/сутки, что позволяет обеспечивать гарантированное обеззараживание навоза от загрязнений при получении жидких высококачественных органических удобрений [68].
Данные по удобрительной ценности сброженного навоза также представлены в таблице 4.3, которые показывают, что при обработке навоза методом анаэробного сбраживания в разработанной биогазовой установке, содержание азота, фосфора и калия, как основных элементов удобрения, полностью сохраняются при всех режимах сбраживания и находятся в пределах: азот - 0,41 - 0,45 %; фосфора - 0,21%; калий -0,34%.
Данные показатели подтверждаются исследованиями, проведенными агрохимической лабораторией ГУП ПНО «Пойма».
Результаты испытаний установки по интенсивности газовьщеления и степени разложения органического вещества в зависимости от производительности по сбраживаемому навозу представлены в таблице 4.4., из которых следует, что интенсивность газовьщеления с ростом производительности возрастает, а степень разложения органического вещества уменьшается [73].
