CC BY
96
УДК 631.338.92:631.861
ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВА, СВОЙСТВ И РАЗМЕРОВ СЛОЯ КОМПОСТИРУЕМОЙ СМЕСИ
В.В. Миронов
Кафедра «Прикладная механика и конструирование машин», МичГАУ Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: аэрационный биореактор; аэробный; биоферментация; высота слоя; компост; тепловыделение; установка; эксперимент.
Аннотация: Определены зависимости, устанавливающие граничные условия на размер слоя компостируемой смеси в биореакторе модульного типа. Высота слоя обрабатываемого материала в биореакторе зависит от его физикомеханических и теплофизических свойств, так минимальная высота слоя соломонавозной смеси влажностью 70 % при которой сохраняется положительный баланс тепла составляет 0,46 м, а максимально допустимая высота слоя при условии сохранения порового пространства - 2,26 м, при этом концентрация сухого вещества навоза в смеси составляет 0,37...0,4. Процесс биоферментации продолжается в течение 168 часов в интервале температур от 53 до 76 °С. Максимальную температуру 76 °С смесь достигает через 22...24 часа. Установлены зависимости активного удельного тепловыделения от влажности и концентрации сухого вещества навоза в смеси.
Обозначения
к - концентрации сухого вещества навоза в смеси, доли ед.;
т - пористость компостной смеси, доли ед.; да - активная удельная теплота биотерми-ческих процессов, Дж/кгс;
Qw - потери тепла на испарение влаги, кДж; Qб - количество теплоты, выделяемой при биохимическом окислении органического вещества смеси, кДж;
Qk - потери тепла за счет движения воздуха, кДж;
Qт - потери тепла за счет выравнивания температуры в слое, кДж;
Р - нагрузка, кН;
гВ - температура поступающего воздуха, °С;
- температура, достаточная для обеззараживания смеси, гкр > 53 °С;
Т - температура компостируемой массы, °С; ^с - влажность смеси, %;
1 - коэффициент теплопроводности компостной смеси, Дж/(м-К-с); рв - плотность воды, кг/м3; рн - начальная плотность смеси, кг/м ; рс - плотность компостной смеси, кг/м3; рт - плотность твердой фазы смеси, кг/м3.
Основным сырьем для производства высококачественных органических удобрений является навоз, ежегодный выход которого в России от имеющегося поголовья составляет около 1 млрд. т, из них примерно 200 млн. т подстилочного, 400 млн. т полужидкого и 400 млн. т жидкого и навозных стоков. Эквивалентная стоимость годового объема навоза (по количеству содержащихся в нем питательных элементов и органического вещества) составляет около 280 млрд. руб. В качестве органических удобрений ежегодно используется не более 500 млн. т навоза [1].
Наиболее перспективным способом приготовления органических удобрений из подстилочного и полужидкого навоза является высокотемпературная аэробная биоферментация в течение 5 - 10 суток. Устройства для проведения данного процесса, т. е. создания благоприятных условий для жизнедеятельности аэробных
микроорганизмов - аэрационные биореакторы, могут быть модульного типа, с цикличной загрузкой сырья и выгрузкой готовой продукции и поточнонепрерывного, когда сырье в течении 5 - 7 суток непрерывно проходит сверху вниз в противоток поступающему со дна реактора воздуху, претерпевая при этом экзотермическую стадию разложения. Несмотря на все большее распространение данных технологий, процесс ускоренного компостирования не достаточно изучен: не определены оптимальные размеры слоя компостной смеси, не установлены зависимости интенсивности разложения от состава и свойств компостируемых материалов. В связи с этим цель настоящей работы заключалась в теоретическом обосновании и экспериментальном исследовании процесса биоферментации компостных смесей, определение состава, свойств и размеров слоя компостируемой массы.
Пользуясь априорной информацией и нашими предположениями, была выдвинута рабочая гипотеза о том, что существует какой-то оптимальный объем смеси, необходимый для закладки в биореактор. Допускается, что длина и ширина слоя будут всегда больше его высоты, и определяются технологически, т. е. задача сводится к расчету оптимальной высоты слоя Н, м (рис. 1).
Оптимальная высота Н находится в промежутке Нтт < Н < Нтах, причем минимальная высота Нтт при условии сохранения положительного баланса тепла (бвыд > бпотерь), максимально допустимая Нтах - при условии сохранения порового пространства внутри слоя (т > 0). На основании уравнения теплового баланса биохимического процесса разложения органического вещества смеси
бб = бт + Qk + О-м (1)
получено выражение для определения минимальной высоты слоя компостной смеси в биоферментаторе
(
ТТ __
Н min _
1 (^кр ^в ) Рс qa
1
(2)
Данная зависимость описывает характер биохимического окисления органического вещества в биореакторе без учета уплотнения массы под собственным весом. В реальных условиях происходит уплотнение компостной смеси, что приводит к изменению ее плотности по высоте слоя и отрицательно сказывается на режиме аэрации.
Предположим, что закон изменения плотности смеси до и после действия нагрузки Р в общем виде представляет экспоненциальный закон
рс рн (c1 с2е 3 ),
(3)
где с1, с2, и с3 - коэффициенты зависящие от начальной плотности смеси рн, плотности смеси после нагружения рс и нагрузки Р.
Составляя уравнение сумм проекций на вертикальную ось всех сил, действующих на элементарный объем внутри слоя в состоянии равновесия, и решая уравнение относительно высоты слоя компостной смеси в биореакторе, получаем:
1
Рис. 1 Схема к определению высоты слоя смеси в биореакторе
c1c3
ln-
c2
cL + 0,01wcg _1
c1
рт
рв
(4)
Следовательно, необходимо экспериментально определить переменные, определяющие оптимальные размеры слоя Н = /(рс,рн,рт,т,мс, 1,да), а так же к установлению зависимости Т = /^, мс).
Материалы и методы
Исследования проводили на образцах соломо-навозной смеси в интервале влажности 60...80 % и концентрации сухого вещества навоза в пределах от 0,13 до 0,57. Для экспериментальных исследований процесса биоферментации соломонавозных смесей была разработана лабораторная установка (рис. 2).
Измерение и запись температуры компостируемой массы осуществлялось в непрерывном режиме с помощью 3-х датчико, подключенных к многоканальному измерителю температуры АРС-0105, с передачей информации по интерфейсу Я8-232 в СОМ-порт компьютера. Прибор обеспечивает измерение температуры в диапазоне - 55...+ 125 °С с разрешением 0,03 °С и погрешностью ± 0,5 °С.
Рис. 2 Схема (а) и общий вид (б) лабораторной экспериментальной установки для биоферментации компостных смесей:
1 - камера биоферментации; 2 - переходник; 3 - вентилятор; 4 - перфорированное дно; 5 - заслонка; 6 - адаптер АРС-0105; 7 - персональный компьютер; 8 - датчики измерителя температуры; 9 - компостируемый материал; 10 - блок управления приводом вентилятора; 11 - термопреобразователь ТСМ 50М
б)
Блок управления приводом вентилятора служит для включения и выключения вентилятора и содержит: реле времени ВЛ-34УХЛ4, измеритель температуры УКТ-38, термосопротивление ТСМ-50М, магнитный пускатель. Относительная погрешность прибора УКТ-38 составляет ± 0,5 %, погрешность преобразующего элемента - термометра сопротивления составляет ± 2 %. Обработка экспериментальных данных производилась при помощи пакета прикладных программ Excel 2000, MathCAD 2001 Professional.
Результаты
Экспериментальные исследования физико-механических и теплофизических свойств соломо-навозных смесей позволили рассчитать минимальную высоту слоя в зависимости от влажности при различной концентрации сухого вещества навоза k (рис. 3).
Анализ графических зависимостей показывает, что в промежутке влажности 60...70 % минимально допустимая высота слоя уменьшается в связи с увеличением удельного тепловыделения. Т ак для навоза КРС влажностью 60 % Hmin составляет 0,65 м, а влажностью 70 % - 0,59 м. При увеличении влажности до 80 % минимально допустимая высота увеличивается, так как увеличивается теплопередача X и снижается удельное тепловыделение q.
Минимальная высота слоя смеси навоза КРС и соломы при k = 0,37 составляет 0,46 м при влажности 70 %. При концентрации сухого вещества навоза КРС в смеси k = 0,15 и влажности 70 % Hmin составляет 0,53 м. Таким образом оптимальной влажностью смеси является диапазон 65.75 %, где в большинстве вариантов наблюдается наименьшее значение Hmin.
Более высокое удельное тепловыделение смесей на основе свиного навоза способствует снижению минимальной высоты слоя в биореакторе. Так для свиного навоза влажностью 65 % Hmin = 0,61 м, а для навоза КРС - 0,63 м.
Рис. 3 Характер изменения минимальной высоты слоя
В результате проведения экспериментальных исследований физико-механических свойств соломо-навозных смесей было получено выражение для расчета максимальной высоты слоя материала в биоферментаторе, исходя из значений плотности и влажности смеси
гг 1 , 0,328 (5)
Нтах =-------------------------------------------------------1п-, (5)
0,0018рс 5,032 + 0,05032 WРс-1
Рт.ф -в
В результате расчета по уравнению (5) получены зависимости Нтах = / (V, к) при различных значениях влажности смеси V и концентрации сухого вещества навоза к для соломо-навозных смесей, представленные на рис. 4.
Анализ графических зависимостей показывает, что максимальная высота слоя навоза КРС влажностью V = 60 % составляет 2,2 м, влажностью V = 80 % -1,6 м. Максимально допустимая высота слоя свиного навоза при влажности V = 60 % составляет 1,9 м, а при V = 80 % - 1,54 м.
Вследствие низкой плотности соломо-навозных смесей с концентрацией сухого вещества навоза к = 0,15 высота слоя при влажности смеси V = 60 % может быть увеличена до 3,2 м - для смеси навоза КРС с соломой и до 2,9 м - для смеси свиного навоза с соломой.
Получены температурные зависимости саморазогрева различных компостируемых материалов, характер которых представлен на рис. 5.
Установлено, что температура смеси достигает максимальных значений 72.76 °С через 24 - 28 ч биоферментации. Далее следует период относительно стабильной температуры, характеризующийся активным разложением органического вещества смеси и переходом питательных элементов растений (Ы-Р-К) из органических форм в более доступные - минеральные. Этот период продолжается 120 - 140 ч. Затем температура плавно снижается, что свидетельствует об окончании процесса биоферментации.
Рис. 4 Характер изменения максимальной высоты слоя
Рис. 5 Температурный режим при биоферментации соломо-навозных смесей (интервал подачи воздуха 10 мин)
За критерий оптимизации процесса биоферментации было принято удельное тепловыделение д, кДж/кг-ч, соломо-навозной смеси, которое зависит от влажности w смеси и концентрации сухого вещества навоза в смеси к: для смеси навоза КРС с соломой
д = - 6430,3 + 189,^ + 712,3к - 1,4^2 + 113,87к2 - 8,^к; (6)
для смеси свиного навоза с соломой
= - 1962,76 + 55^ + 544,2к - 0,47w2 - 119,56к2 - 3^к. (7)
Оптимальной влажностью для смеси навоза КРС и соломы является wc=68 %, для смеси навоз свиной и солома - wc = 70 %, при концентрации сухого вещества навоза в смеси не менее к = 0,13.
Выводы
Размеры слоя обрабатываемого материала в биоферментаторе зависят от его физико-механических и теплофизических свойств, так минимальная высота слоя соломо-навозной смеси влажностью 70 % при которой сохраняется положительный баланс тепла составляет 0,46 м, а максимально допустимая высота слоя при условии сохранения порового пространства - 2,26 м, при этом концентрация сухого вещества навоза в смеси составляет 0,37.0,4. Процесс биоферментации продолжается в течение 168 часов в интервале температур 53.76 °С. Максимальную температуру 76 °С смесь достигает через 22 - 24 часа биоферментации. Оптимальной влажностью для смеси навоза КРС и соломы является wc = 68 %, для смеси навоз свиной и солома - wc = 70 %, при концентрации сухого вещества навоза в смеси не менее к = 0,13.
Список литературы
1 Кормановский, Л.П. Обоснование системы технологий и машин для животноводства / Л.П. Кормановский // - М.: ИК «Родник», Аграрная наука, 1999. -С. 228.
Research into Composition, Properties and Sizes of Composted Mixture Layer
V.V. Mironov
Department “Applied Mechanics and Machines Design ”,
Michurinsk State Agricultural University
Key words and phrases: aerobic; aeration bioreactor; bio-fermentation; layer height; unit; compost; heat emission; experiment.
Abstract: Dependencies determining border conditions for the size of composted mixture layer in bioreactor of module type are stated. The layer height of the processed material in the bioreactor depends on its physico-mechanical and thermo-physical properties as the minimum layer height of straw-manure mixture with 70 % humidity keeping positive balance of heat is 0.46 m and maximum layer height on condition of keeping pore space is 2.26 m while the concentration of dry manure in the mixture is 0.37.0.4. The process of bio-fermentation lasts 168 hours at the temperature intervals between 53 and 76 °C. The mixture reaches maximum temperature of 76 °C in 22.24 hours. The dependencies of active specific heat emission from humidity and concentration of dry manure in the mixture are stated.
Untersuchungen des Bestandteiles, der Eigenschaften und der GroBen der Schichte des kompostierenden Gemisches
Zusammenfassung: Es sind die die Grenzbedingungen auf Grofle der Schichte des kompostierenden Gemisches im Bioreaktor des Modultypus feststellenden Abhangigkeiten bestimmt. Die Schichtenhohe des bearbeitenden Stoffes im Bioreaktor hangt von seiner physikalisch-mechanischen und warme-physikalischen Eigenschaften ab. So, die Minimalhohe der Schichte des Strohdungergemisches mit der Feuchtigkeit 70 %, bei der positive Warmebilanz erhalten wird, macht 0,46m und die maximal zulassige Schichthohe unter der Bedingung der Erhaltung des Porenraums ist 2,26m gleich. Dabei ist die Konzentration des Trockenstoffes des Dungers im Gemisch 0,37.0,4 gleich. Das Prozess der Biofermentation dauert im Laufe von 168 Stunden im Temperaturbereich von 53 bis 76 °C. Das Gemisch erreicht die Maximaltemperatur von 76 °C in 22...24 Stunden. Es sind die Abhangigkeiten der aktiven spezifischen Warmeabgabe von der Feuchtigkeit und der Konzentration des Trockenstoffes des Dungers im Gemisch festgestellt.
Etude de la composition, des proprietes et des dimensions de la couche du melange composte
Resume: Sont definies les dependances etablissant les conditions de limite sur les dimensions de la couche du melange composte dans le bioreacteur du type modulaire. La hauteur de la couche du materiel traite dans le bioreacteur depend de ses proprietes mecaniques et thermophysiques; ainsi la hauteur minimale de la couche du melange de la paille et du fumier de l’humidite de 70 % qui aide a conserver la balance positive de la chaleur est de 0,46 m, et la hauteur maximale (de la couche a condition de la conservation de l’espace de pore) est de 2,26m, la concentration de la substance seche dans le melange etant de 0,37.0,4. Le processus de la biofermentation dure 168 heures dans l’intervalle des temperatures a partir de 53 jusqu’ a 76 °C. Le melange atteint la temperature maximale de 76 °C dans 22...24 heures. Sont etablies les dependances du degagement calorifique specifique actif de l’humidite et de la concentration de la substance seche du fumier dans un melange.
