Технология анаэробного сбраживания навоза с дифференцированной дозой загрузки

УДК 628 543:63 Ф.А. Васильев, В.К. Евтеев

ТЕХНОЛОГИЯ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЙ ДОЗОЙ ЗАГРУЗКИ

В статье приведены результаты экспериментальных исследований по анаэробному сбраживанию навоза крупного рогатого скота в накопительном режиме с дифференцированной дозой загрузки. Ключевые слова: анаэробное сбраживание, биогаз, доза загрузки.

F.A. Vasilyev, V.K. Evteev TECHNOLOGY FOR MANURE ANAEROBIC FERMENTATION WITH THE DIFFERENTIATED DOSE OF LOADING

The experimental research results on cattle manure anaerobic fermentation in a storage mode with the differentiated dose of loading are given in the article.

Key words: anaerobic fermentation, biogas, dose of loading.

В настоящее время возникло достаточно большое количество малых ферм по производству продукции животноводства с поголовьем 25-75 голов крупного рогатого скота. Как правило, они располагаются вблизи или непосредственно в населенных пунктах; систем хранения и переработки навоза не предусмотрено. Получаемый навоз, потенциально являющийся ценным органическим удобрением, неупорядочено складируется на совершенно неприспособленных площадках. При этом снижается ценность навоза как удобрения, семена растений сохраняют всхожесть. Территория вокруг подобных ферм становится непригодной для проживания, близлежащие водоемы загрязняются не только биогенными и органическими веществами, но и болезнетворными микроорганизмами и гельминтами.

Цель исследований. Создание технологии анаэробного сбраживания навоза малых ферм КРС, позволяющей наиболее полно использовать заложенный в навозе энергетический и удобрительный потенциал, обеспечить безопасность животных и населения, защитить окружающую среду.

Для природно-климатических условий Восточной Сибири наиболее подходящей является технология анаэробного сбраживания в накопительном режиме [1]. Технология позволяет перерабатывать и хранить навоз весь период низких температур, а затем использовать в оптимальные агротехнические сроки. В накопительном режиме загрузка свежего субстрата обычно ведется порциями через определенный промежуток времени, при этом объем и период загрузки строго фиксирован. Поскольку при постоянном количестве подаваемого в реактор субстрата загрузка рабочего объема биореактора во время процесса заполнения будет постоянно снижаться по сравнению с оптимальным значением, соответствующего накопившемуся количеству шлама, потенциальная производительность этой системы будет использоваться не полностью [2]. Теоретические исследования кинетики процесса в накопительном режиме выявили необходимость изменения дозы загрузки в течение периода заполнения биореактора для стабилизации и улучшения условий питания микроорганизмов, что позволит интенсифицировать процесс брожения [3]. Таким образом, заполнение рабочего пространства биореактора должно производиться не фиксированной дозой загрузки, а дифференцированно, в зависимости от накопленного объема бродящей жидкости и соответственно потребностям биомассы. Для доказательства теоретических исследований и определения оптимальной дифференцированной дозы загрузки проведены экспериментальные исследования.

Условия проведения опытов. Периодичность загрузки - один раз в сутки. Объем первоначальной затравки - 18 % от рабочего объема биореактора. Влажность дозы загрузки 90 %. Температура сбраживания 25 ± 0,5°С - психрофильный режим. Для учета выделяющегося биогаза применяли газовые счетчики ГСБ-400 с точностью ±2*10-5 м3. Весь полученный объем биогаза приводился к нормальным условиям.

Нативный навоз крупного рогатого скота доставлялся с учебной фермы Иркутской ГСХА пос. Молодежный. Процесс подготовки навоза к загрузке заключался в его измельчении до величины твердых включений не более 5 мм и последующим доведении до влажности в 90 %. Анализы по определению влажности и зольности нативного, подготовленного к загрузке и сброженного, навоза производились по общепринятым методикам.

По итогам проведенных теоретических исследований [3-4], поисковых опытов и ранжированию факторов в эксперименте было принято варьировать двумя факторами: количественным - дифференцированная доза загрузки Х1 (%) и качественным - способ подачи (загрузки) субстрата Х2.

Объем дифференцированной дозы загрузки (Vп ддз) рассчитывался относительно бродящего объема на каждый день (п), но доза в процентном отношении объемов загрузки и брожения оставалась неизменной (О). Так как в накопительном режиме объем бродящей жидкости в биореакторе возрастает от первоначального объема затравки до заполнения, соответственно и рос объем загружаемой дозы свежего субстрата. Необходимый объем дозы загрузки в п день вычислялся по формуле:

V" =у —

У ДДЗ У нач 200

В

100

где Vn ДДЗ - объем дифференцированной дозы загрузки в п день, м3;

Vнач - начальный объем инокулята (затравка) в биореакторе, м3;

£>— дифференцированная доза загрузки субстрата в процентах от бродящего объема жидкости, %.

Выбрано три уровня варьирования фактором дифференцированной дозы загрузки: минимальный (0=2,5 %) как «щадящий» режим; нулевой (0=5 %) и максимальный (0=7,5 %) как интенсивный режим.

Способ подачи субстрата представляет собой качественный технологический фактор, который определит возможности и эффективность естественного перемешивания. Способов два, первый - загрузка с перемешиванием, субстрат подается в бродящий объем через патрубок в центре дна реактора, производя тем самым перемешивание, равномерно распределяя питательные вещества и потенциальные ингибиторы процесса, что способствует улучшению отвода продуктов метаболизма и обеспечению равномерного температурного поля по объему сбраживания. Второй способ - обычная загрузка, которая осуществляется через патрубок в крышке биореактора, при этом достигается минимальное возбуждение бродящей жидкости.

В соответствии с выбранными факторами и уровнями варьирования была составлена матрица эксперимента из шести опытов. Для исключения влияния систематических ошибок опыты были рандомизированы по времени при помощи таблицы случайных чисел [5].

Для оценки результатов выбраны параметры процесса: выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора - У1 (м3 /м3 РОБ) - характеризует объемную количественную сторону процесса, позволяет оценить скорость обработки субстрата; выход биогаза с единицы загружаемого абсолютно сухого органического вещества - У2 (м3 /кг АСОВ) - характеризует объемную качественную сторону процесса, указывает на качество обработки субстрата.

Результаты экспериментов, которые разделены на три периода в зависимости от объема заполнения биореактора (1/3, 2/3 и 1), представлены в таблице. Значения параметров процесса приведены как в кодированных, так и в натуральных величинах.

Результаты экспериментов

п-1

1

Номер опыта Процент заполнения биореактора

33 % 66,6 % 100 %

Значения оценочных параметров

Уі 01 У2 02 У1 О1 У2 02 У1 О1 У2 02

Код. Натур. Код. Натур. Код. Нат. Код. Нат. Код. Нат. Код. Нат.

1 -0,43 1,77 -0,61 0,13 -0,54 4,68 -0,61 0,12 -0,59 8,16 -0,61 0,12

2 -0,04 2,10 0,14 0,17 -0,26 5,49 -0,29 0,14 0,12 11,59 0,14 0,17

3 1,00 2,99 1,00 0,22 1,00 9,12 0,97 0,23 0,97 15,72 0,95 0,22

4 -1,00 1,28 -1,00 0,10 -1,00 3,33 -1,00 0,09 -1,00 6,18 -1,00 0,09

5 0,18 2,29 0,11 0,17 0,15 6,66 0,06 0,16 0,24 12,19 0,29 0,18

6 0,71 2,74 0,65 0,20 0,91 8,87 1,00 0,23 1,00 15,85 1,00 0,23

Методом регрессионного анализа на ПЭВМ с использованием ППП БТАТ^ТЮА 6.0 получены следующие модели в кодированных значениях:

при 33 % заполнения от рабочего объема: выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора

У1= -0,785X1 + 0,18X2 ;

выход биогаза с 1 кг загруженного сухого органического вещества:

У2= -0,815X1;

при 66,6 % заполнения от рабочего объема: выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора:

У1= -0,862X1;

выход биогаза с 1 кг загруженного сухого органического вещества:

У2= -0,894X1;

при полном рабочем объеме: выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора:

У1= -0,891X1;

выход биогаза с 1 кг загруженного сухого органического вещества:

У2= -0,89X1,

где X1 - дифференцированная доза загрузки, %;

X2 - способ загрузки субстрата.

Регрессионные уравнения (2)-(7) адекватны, приведенные коэффициенты значимы. Уровень значимости всех критериев 0,05 [5-6].

В регрессионных моделях (2)-(7) решающее значение в определении оценочных показателей принадлежит дифференцированной дозе загрузки. Коэффициенты регрессии при ДДЗ имеют отрицательный знак во всех уравнениях. Это означает, что с повышением дозы выход биогаза с рабочего объема и с единицы загружаемого сухого органического вещества снижается. Данное явление легко объяснимо, при повышении дозы возрастает интенсивность загрузки, т.е. в биореактор поступает большее количество субстрата на

обработку. В результате интенсивнее происходит наполнение рабочего объема биореактора, тем самым сокращается время на обработку единицы загруженной органической массы. Так при ДДЗ в 2,5 % рабочий объем биореактора заполнился за 70 сут., при 5 % - 36 сут. и при дозе 7,5 % - 24 сут. Но, чрезмерное понижение дифференцированной дозы загрузки может привести к обратному эффекту, слишком вялому течению процесса анаэробного сбраживания. Загружаемой дозы может не хватать для всей микробной популяции, возникнет торможение процесса сбраживания недостатком питательных веществ.

В регрессионных уравнениях (2)-(7) влияние фактора способа загрузки значимо лишь на начальном этапе (уравнение (2)). С заполнением биореактора на 66,7 % воздействие способа загрузки на выход биогаза с единицы рабочего объема становиться статистически незначимым; объясняется данное явление присутствием в бродящем объеме процесса естественного перемешивания. Он возникает в результате выделения, роста и последующего подъема пузырьков биогаза на поверхность, что создает возмущение в сбраживаемом объеме биореактора. Из теоретического анализа [4] известно, что возмущение субстрата возрастает с увеличением пути движения (глубины погружения) газового пузырька и влажности субстрата. Так, при достаточном объеме брожения и стабильном протекании процесса анаэробного сбраживания выделяющихся пузырьков биогаза достаточно для создания естественного перемешивания. При этом большое значение имеет выбранная влажность загружаемого субстрата. В эксперименте на начальном этапе заполнения биореактора фактор способа загрузки значим потому, что недостаточен путь движения пузырьков для создания должного возмущения. Но, уже с заполнением объема на 33 % высоты жидкости достаточно для создания естественного пузырькового перемешивания. Это подтверждает правильный выбор влажности загружаемого субстрата.

На рисунке представлены поверхности отклика, характеризующие выход биогаза с единицы рабочего объема биореактора (а) и с единицы загруженного сухого органического вещества (б) в зависимости от дозы загрузки и процента заполнения биореактора. Поверхности приведены для способа загрузки без перемешивания.

Поверхности оценочных параметров: а) с рабочего объема биореактора; б) с единицы массы загруженного сухого органического вещества

Приведенные поверхности откликов (рис.) полностью согласуются с полученными регрессионными уравнениями (2)-(7). Зависимость выхода биогаза с рабочего объема от дозы загрузки (см. рис., а) имеет линейный характер при заполнении биореактора. Зависимость выхода биогаза с единицы загруженного сухого органического вещества от дозы загрузки (см. рис., б) имеет перегиб при 33 % заполнения, затем поверхность выравнивается с незначительным прогибом при 50 % заполнения. Наиболее эффективной величиной дозы загрузки является 2,5 %. Данное значение позволяет получить следующие показатели: по выходу биогаза с рабочего объема биореактора - 15,58 м3/м3 РОБ и с единицы загруженного сухого органического вещества - 0,226 м3/кг АСОВ при полном заполнении рабочего объема.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволяют составить рекомендации и техническое задание на проектирование по технологии анаэробного сбраживания в накопительном режиме для условий Восточной Сибири с дифференцированной дозой загрузки.

Литература

1. Васильев Ф.А., Евтеев В.К. Переработка навоза ферм и комплексов по содержанию крупного рогатого скота с получением качественных органических удобрений и биогаза // Вестн. ИрГСХА. - 2010. -Вып. 38. - С. 44-50.

2. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика: пер. с нем. М.И. Серебряного. - М.: Колос, 1982. - 148 с.

3. Евтеев В.К., Васильев Ф.А., Елохин В.Р. Моделирование процесса анаэробного сбраживания навоза

КРС в накопительном режиме // Рациональное природопользование и энергосберегающие технологии в агропромышленном комплексе: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. - Иркутск: ИрГСХА, 2010. -Ч. 2. - С. 208-215.

4. Евтеев В.К., Васильев Ф.А. Возможность перемешивания субстрата потоком газа в анаэробных уста-

новках // Вестн. ИрГСХА. - 2010. - Вып. 38. - С. 58-65.

5. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных

условий . - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1976. - 280 с.

6. Вуколов Э.А. Основы статистического анализа. Практикум по статистическим методам и исследова-

нию операций с использованием пакетов STATISTICA и EXCEL: учеб. пособие. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Форум, 2008. - 464 с.