В данной статье исследован процесс утилизации
отходов животноводства, в основном скотоводческих и свиноводческих предприятий методом
анаэробной биологической ферментации навоза за разные отрезки времени
сбраживания. Доказано, что повысить эффективность утилизации отходов
животноводства биологической ферментацией возможно за счет разделения утилизации
на две фазы: аэробно-термофильную и анаэробно-мезофильную ферментацию и
управления реакциями, предшествующих метановом сбраживания органического
вещества.
Производство биогаза из навоза
животноводческих ферм - один из самых перспективных направлений биоэнергетики
сегодня. Такая утилизация отходов животноводства позволяет одновременно решать,
кроме экологической, еще и энергетическую и хозяйственную проблемы.
В связи с этим разработка
новых и совершенствование существующих технологий утилизации отходов
животноводства, в том числе и путем анаэробной биологической ферментации навоза,
является важным элементом современных технологий производства продукции
животноводства.
При этом особое значение
приобретает вопрос о санитарно-гигиенической оценки продуктов утилизации
отходов животноводства, полученных при работе биогазовых установок.
Достичь высокой
эффективности работы биогазовых установок и получить отходы безопасные в
санитарно-эпидемическом отношении возможно путем оптимизации технологических
параметров ферментации отходов, воздействия на жизнедеятельность
микроорганизмов и возбудителей инвазионных болезней, что и было предметом
исследований данной работы.
Материалы и методика исследований утилизации отходов животноводства.
В качестве объекта
исследований был использован, в основном, процесс утилизации жидкого навоза свиноводческих и скотоводческих
предприятий. Течение утилизации с помощью аэробной ферментации навоза
исследовали в специальной лабораторной установке, которая включала биореактор (
1 ) оснащен системой загрузки исходной ( 2 ) и выгрузки сброженного субстрата
(3) и отвода биологического газа (4).
Рабочий объем биореактора составил 7,0 л.
Биогаз через патрубок ( 4 ) поступал в накопитель ( 5 ), который соединяли с
мерной емкостью (6). Биореактор размещали в термостате ( 7 ), в котором
поддерживали различную температуру ( 8) при биоферментации навоза,
обеспечивалась ( с отклонением ± 1,5 ° С ) специальной системой ( рис. 1).
Жидкий навоз с молочной
фермы перед загрузкой в биореактор пропускали через сито с диаметром отверстий
4 мм и разводили водой до необходимой консистенции с учетом температуры. Отходы
животноводства загружали навоз в
биореактор 2 раза в сутки. Объем навоза в реакторе составлял 6 л, в которую
добавляли 1 л сброженного субстрата (закваски).
Три серии опытов по утилизации (ферментации) отходов животноводства.
В первой серии опытов
изучали влияние времени пребывания массы в реакторе, достигалось путем
регулирования объемов ее загрузки ( 0,2 ; 0,1 ; 0,07 ; 0,05; 0,04 и 0,033 суток
-1, или 5 ; 10 , 15, 20 , 25, 30 сут. соответственно).
Во второй серии исследований
изучали эффективность процесса биологической ферментации навоза молочной фермы
в биореакторе при D = 0,1; 0,05 сут.-1, в котором в отличие от первой серии
исследований биомассу 2 раза в за 24 часа перемешивали.
Температуру в реакторе в течении биологической
ферментации поддерживали на уровне 32 ° С.
Параметры ферментации отходов
животноводства исследовали через 15 суток после выхода биореактора на
оптимальный режим.
Жидкий навоз молочного скота
характеризовался следующим составом : АСР-8,2 ±1,48%, органическое вещество - 6,08±0,94%;
ЛЖК-5,31±0,84 г/кг, № аг .-2,8±0,9 г/кг, NH4 + -1,68±0,44 г/кг.
Влажность и зольность
образованной из жидких отходов и закваски смеси, которую подвергали биологической
ферментации, рассчитывали по формулам 1 и 2 :
wP =—^гт,—, (1)
где
Wp - влажность субстрата, %
;
Vb - объем исходной субстрата,
л ;
V3 - объем « закваски » , л
;
Wb - влажность исходной субстрата,
% ;
Wз - влажность « закваски »
, %.
где Зр - зольность субстрата,
% ;
Зь - зольность исходной субстрата,
% ;
Зз - зольность «закваски»,
%.
При проведении исследований
биореакторы ежесуточно грузили исходными отходами животноводства с влажностью -
92,58 ± 0,48 % и зольностью - 23,78 ± 1,12 %.
 |
| Простейший и самый распостраненный биоконвектор. |
В третьей серии опытов
изучали влияние температуры в реакторе на конверсию навоза свиней. С этой целью
использовали ту же схему, которая была в предыдущей серии опытов. Температуру сырья
в реакторе изменяли в пределах 15 ; 22; 27; 32 и 52 ° С при D = 0,1 сут.-1.
После стабилизации показателей биоферментации в проточном режиме и выходе реакции
на оптимальные параметры снимали показатели, после чего процедуру
останавливали, меняли температуру и снова выводили на оптимальный режим работы.
Исходные отходы и сброженную субстанцию, которые добавляли в биореактор и
получали после его частичной выгрузки, анализировали на содержание влаги, ЛЖК,
азота общего и аммонийного и определяли зольность сухого вещества.
Количество образовавшегося газа
определяли объемным методом, а его состав с помощью газового хроматографа.
Показатели химического состава биомассы исследовали с общепринятыми методами. В
стоках и продуктах биоферментации определяли общую численность микроорганизмов
и их основные группы ( кислотообразующие, целюлозоразрушающие,
протеолитические, спорообразующие, дрожжи, грибы, актиномицеты, Метанобразующие
бактерии), а также контролировали коли-титр и титр энтерококков.
Статистическую обработку
полученных результатов проводили с помощью специальной программы в M. Excel.
Результаты исследований утилизации отходов животноводства.
Проведенными исследованиями
установлено, что при данных доз загрузки ( D = 0,2 и 0,1 суток -1 ) и времени
ферментации отходов животноводства 5 или 10 суток удельный выход биогаза с
единицы объема биореактора достигал 2,2-1,9 м3/м3 ( табл. 1 ). При этом степень
конверсии органического вещества навоза составила 20,0 и 26,6 % соответственно,
а удельный выход биогаза из 1 кг ферментированных отходов - 0,55-0,65 м3.
Таблица 1 . Эффективность
процесса биоферментации отходов животноводческих предприятий по производству
молока в зависимости от дозы загрузки биореактора.
Параметры течения биоферментации
|
||||
Скорость разбавления , D , сут.-1
|
Время биофермента -ции , сут.
|
Удельный выход биогаза с биореактора, м3 / м3
|
Степень конверсии
органического вещества , %
|
Удельный
выход газа , м3/кг ОР
|
0,2
|
5
|
2,2
|
20,0
|
0,55
|
0,1
|
10
|
1,9
|
26,6
|
0,65
|
0,07
|
15
|
1,4
|
30,0
|
0,70
|
0,05
|
20
|
1,2
|
35,0
|
0,89
|
0,04
|
25
|
0,9
|
38,0
|
0,92
|
0,033
|
30
|
0,8
|
40,0
|
0,89
|
Установлено, что при больших
дозах загрузки биологического реактора и времени ферментации навоза - 5 или 10 дней,
наблюдается незначительное конверсия органического вещества биомассы. За этот
период сбраживаются легкоокисляемой органические соединения, которые находятся
в растворимой форме в виде тонкодисперсной фазы. Энергетический потенциал
органического вещества биомассы в данном случае в процессе ее ферментации
используется не полностью. При уменьшении дозы отходов при загрузки биореактора
до 0,07 или 0,05суток - 1 и соответственно увеличении времени ферментации до 15
или 20суток, удельный выход биогаза с единицы объема реактора уменьшался в 1,57
и 1,7 раза по сравнению с дозой загрузки D = 0,07 суток -1 и в 1,35 и 1,58 раза
по сравнению с D = 0,05суток -1.
 |
| Промышленный биогазовый комплекс при животноводческой ферме. |
При этом удельный выход
биогаза из 1 кг сброженных отходов животноводства в газовом реакторе
увеличивался в 1,27 и 1,08 раза и 1,36 и 1,4 раза соответственно по выше
приведенных значений дозы загрузки и времени ферментации. Это объясняется тем,
что при данных условиях наблюдается повышение эффективности использования
энергетического потенциала органического вещества, а это в свою очередь ведет к
увеличению выхода биогаза из сброженной вещества.
Дальнейшее увеличение
времени биоферментации биомассы до 25-30суток и загрузки биореактора при D =
0,04-0,033суток -1 не вызывает повышения получения биогаза при увеличении
глубины конверсии органического вещества до 38-40 %, что приближает ее к грани
технического сбраживания. Энергетический потенциал, заложенный в химических
связях органических веществ отходов животноводства в таких
условиях используется практически полностью. Вместе с тем, увеличение времени
биологической ферментации отходов в 1,5 раза ведет к соответствующему повышению
объема реактора, что в свою очередь приводит к увеличению капитальных и
эксплуатационных затрат.
Установлено, что процесс перемешивания
отходов животноводства при их биоферментации не имеет значительного влияния на
процесс метаногенеза. Так, степень конверсии ОР биомассы при D = 0,1 дБ -1
оказалась даже меньше на 4,65 % по сравнению с аналогичными данными,
полученными без перемешивания субстрата, и оставалась без изменений при при
разбавлении D = 0,05 суток -1 (табл. . 2).
Таблица 2 . Химический
состав жидкого навоза молочной фермы в процессе биоферментации , Х ± Sx , n = 4
Характеристика
биомассы и режима влажности,%
|
Показатель
|
||||
Влажность,
%
|
Зольность
%
|
АСР, г/кг
|
органическое вещество , г / кг
|
ЛЖК, г/кг
|
|
Выходная биомасса
|
92,58
±0,48
|
23,78
±1,98
|
74,20
±4,80
|
56,55 ±1,98
|
5,31
±0,64
|
Сброженный
субстрат
|
93,64
|
30,58
|
63,57
|
44,14
|
8,35
|
35D = 0,1 сут. -1
|
±0,17
|
±0,51
|
±1,70
|
±1,33
|
±1,14
|
Сброженный
субстрат
|
94,56
|
32,39
|
54,32
|
36,67
|
4,01
|
D=0,05сут-1
|
±0,68
|
±0,34
|
±6,80
|
±2,42
|
±0,65
|
Удельный выход биологического
газа с единицы объема биореактора при данных условиях составил 1,2 и 0,91 м3/м3
. Сравнивая результаты исследований первых двух серий опытов ( табл. 1-2),
следует отметить, что значительных различий по показателям анаэробной
ферментации навоза не установлено , что свидетельствует о стабильности
условий проведения экспериментов.
На процессы анаэробной
ферментации навоза и эффективность конверсии отходов животноводства в
значительной мере влияет температура смеси в реакторе.
 |
| Биогаз получены при сбраживании навоза - отходов животноводства |
Доказано, что повышение температуры
процесса анаэробной биоферментации биомассы с 22 до 52 ° С уменьшает в 6,5-7
раз период запуска установки и ее выход на оптимальный режим. Степень конверсии
навоза и других отходов в исследуемых температурных пределах увеличивалась от
8,37 до 61,82%, то есть в 7,39 раза, а содержание метана в биогазе росло на
24,21% и составил 71,4%. Образование газа в реакторе при анаэробных условиях
зависел от температуры биомассы и имел экспоненциальный характер. Такую же
зависимость выявлена и по содержанию метана в биогазе, хотя она имела
определенные особенности. При температуре биомассы в процессе биоферментации 15
° С наблюдался относительно постоянный выход биогаза и содержание в нем метана.
На стадии запуска процесса и в проливе получение газа практически не превышал
0,4 м3/м3 биомассы, а содержание метана был на уровне 17%.
Уменьшение температуры исходного
сырья ведет к существенному увеличению концентрации ЛЖК, что коррелирует с
уменьшением концентрации метана в биогазе ( табл. 3).
Исследованиями утилизации
отходов животноводства установлено, что общее микробное число в 1 г навоза в
процессе биоферментации снижается с 6,3-7,9-107 к 2,1-3,8-105 ( термофильный
режим 52°С) и 6,5-105 ( мезофильный режим 32°С).
При мезофильном режиме
биоферментации количество кислотообразующих бактерий в утилизируемых отходах изменяется в тех же пределах, а именно с
7,1-104 до 2,45-106, а количество спорообразующих бактерий остается без
изменений. При данных условиях аэробные целюлозоразрушающие бактерии исчезают,
а количество анаэробных целюлозоразрушающих бактерий повышается, что
коррелирует с увеличением содержания ЛЖК в газовом реакторе ( табл. 3). По
термофильного режима анаэробной биоферментации навоза видовой состав микрофлоры
изменяется более динамично.
Так, количество кислотообразующих бактерий снижается
с 106 до 103, спорообразующих - с 105 до 103 и протеолитических - с 105 до 103,
а грибы, дрожжи и актиномицеты по термофильных условиях исчезают полностью.
Таблица 3 . Физико -
химические показатели органических отходов предприятий по производству свинины
в процессе биоферментации , Х ± Sx , n = 4
Температура
биомассы С
|
Время
выхода на оптимальный режим сут.
|
Химический состав биомассы
|
||||||
влажность, %
|
зольность, %
|
АСР, г/кг
|
органическое
вещество, г/кг
|
ЛЖК, г/кг
|
удельный
выход биогаза, м /кг ОР
|
состав
биогаза, % СО2/СН4
|
||
89,30±
|
22,10±
|
107,0±
|
83,35±
|
3,77±
|
83,30±
|
|||
15
|
0,15
|
0,54
|
1,5
|
1,84
|
0,91
|
0,60
|
||
90,65±
|
23,05±
|
93,5±
|
71,94±
|
11,20±
|
0,4
|
16,70±
|
||
0,18
|
1,08
|
1,8
|
2,04
|
1,63
|
0,60
|
|||
89,70±
|
21,58±
|
103,0±
|
80,77±
|
3,76±
|
52,81±
|
|||
22
|
21-26
|
0,48
|
0,96
|
4,80
|
3,44
|
0,54
|
4,32
|
|
90,50±
|
22,09±
|
95,0±
|
74,01±
|
7,20±
|
5,6
|
47,19±
|
||
0,21
|
0,49
|
2,10
|
2,40
|
0,87
|
4,32**
|
|||
89,30±
|
21,45±
|
107,0±
|
84,05±
|
3,77±
|
51,88±
|
|||
27
|
15-18
|
1,02
|
1,06
|
10,20
|
3,58
|
0,68
|
8,88
|
|
92,70±
|
25,35±
|
73,0±
|
54,49±
|
6,98±
|
9,9
|
48,12±
|
||
0,63*
|
0,39
|
6,30*
|
1 25***
|
0,48*
|
8,88**
|
|||
88,73±
|
22,63±
|
112,7±
|
87,19±
|
3,44±
|
43,46±
|
|||
32
|
8-9
|
1,19
|
0,45
|
11,9
|
3,50
|
0,50
|
3,43
|
|
93,50±
|
25,26±
|
65,0±
|
48,58±
|
5,68±
|
14,2
|
56,54±
|
||
0 24***
|
0,68
|
2 4***
|
1,20***
|
0,17**
|
3,43**
|
|||
89,40±
|
21,54±
|
106,0±
|
83,16±
|
3,48±
|
28,60±
|
|||
52
|
3-4
|
0,71
|
1,09
|
7,1
|
2,48
|
0,40
|
2,51
|
|
95,60±
|
27,84±
|
44,0±
|
31,75±
|
3,11±
|
21,4
|
71,40±
|
||
1,24**
|
1,20
|
12,4**
|
3 40***
|
0,14***
|
2 51***
|
|||
Важным в санитарном
отношении является то, что сальмонеллы и стафилококки в исследуемых образцах
жидкости после ферментации навоза и утилизации других отходов животноводства в
биореакторе - не обнаружены. Бактерии
группы кишечной палочки в биомассе после термофильной ферментации навоза практически
отсутствуют, а при мезофильном режиме сохраняются в незначительном количестве.
При увеличении времени пребывания при утилизации отходов животноводства в
реакторе при термофильных условиях количество жизнеспособных бактерий
значительно снижается.
Максимальное обеззараживания всего объема достигается при 52°С и времени содержания 10 дней,
что соответствует скорости протока D = 0,1 суток -1. Аналогичные результаты
получены и при биоферментации отходов птицеводства.
 |
| Биогумус - удобрение полученное после биоферментации навоза |
Сброженные в анаэробных
условиях органическая масса может быть использована без ограничений в качестве
органического удобрения. При оценке ее агрохимических свойств, а именно
содержания такого биогенного элемента как азот, установлено, что его содержание
в сброженных отхода животноводства при мезофильного режима практически не
отличается от исходной, а потери не превышают 6,0%. При термофильном режиме
культивирования они достигают 30%.
Проведенными исследованиями утилизации
отходов животноводства показано, что с увеличением скорости прохождения навоза при
анаэробной биоферментации отходов
увеличивает объемный выход биологического газа, достигая величины 2,2
м/м3 биореактора при D = 0,2 суток -1, а значение удельного газообразования
снижается, что можно объяснить ухудшением условий процесса метаногенеза .
Утилизация отходов животноводства - Выводы:
- 1 . Анаэробная биоферментация как способ утилизации отходов животноводства является эффективным способом. Ее преимущества перед другими заключаются в достижении необходимой степени стабилизации и обеззараживания отходов, улучшения ее седиментационных свойств и производства биогаза.
- 2 . Санитарно-гигиенические показатели сброженного, при анаэробных условиях, навоза свидетельствуют о преимуществе термофильной биоферментации с точки зрения свойств полученного конечного продукта (органических удобрений).
- 3 . В основе интенсификации процесса биоферментации отходов при мезофильном режиме лежит его фазовое разделение и управления стадией, предшествующей метановом брожению. Таким требованиям отвечает технология переработки органических отходов животноводства, сочетающий аэробно-термофильную ферментацию на первой ступени и анаэробно-мезофильные ферментацию на второй ступени.
Комментариев нет:
Отправить комментарий