Разработка технологии и оборудования для переработки биоорганических отходов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научную новизну имеют:

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

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

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

Практическая ценность работы. Разработана принципиально новая технология и комплекс устройств по переработке органических отходов, в частности птицеводства, при снижении топливно-энергетических затрат. Установлено повышение выхода биогаза с единицы поверхности сбраживаемого вещества при одновременном получении экологически чистых органических удобрений с улучшенными агрохимическими свойствами. Получен патент № 2 207 325 РФ на «Способ инициирования процесса анаэробного сбраживания». Основные положения, выносимые на защиту: способ и методика переработки биоорганических отходов в виде водного органического субстрата куриного помета при его анаэробном сбраживании путем введения предварительной высоковольтной импульсной обработкикомплекс экспериментальных и теоретических данных по изучению воздействия высокоимпульсной импульсной обработки на процесс анаэробного сбраживанияновое конструктивно-технологическое решение для осуществления обработки водного органического субстрата высоковольтным импульсным разрядом;

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

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

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработан способ инициирования анаэробного процесса сбраживания органических веществ (патент № 2 207 325 РФ) с использованием высоковольтного импульсного разряда.

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

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

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

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

5. Установлена возможность изменения концентрации водородных ионов рН.

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

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

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