CC BY
95
УДК 631.22.019.542.7
А. Е. НИКОЛЬСКИЙ
РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ГАЗООБРАЗОВАНИЯ И ОЧИСТКИ ГАЗОВОГО ВЫБРОСА ПРИ ФЕРМЕНТАЦИИ КУРИНОГО ПОДСТИЛОЧНОГО ПОМЕТА
Приведены результаты лабораторных исследований газового состава аэрационных выбросов при высокотемпературной ферментативной обработке куриного подстилочного помета и методов очистки газовоздушной смеси от выбросов азотных соединений с помощью конденсации паров и абсорбционной доочистки.
Наиболее предпочтительным для производства биологически активных и экологически безопасных твердых органических удобрений высокого качества аэробным способом является метод биологической ферментации при высокой температуре в биореакторе барабанного типа. Для аэрации обрабатываемого материала в биореакторе предусмотрена вентиляционная система с выходом отработанной газовоздушной смеси в атмосферу. Однако вместе с ней теряется часть летучих соединений.
Куриный помет является наиболее концентрированным материалом по питательным элементам. В результате биотермической ферментации, протекающей в биореакторе, происходит активное разложение органического вещества с потерей питательных элементов. За цикл ферментации (48 часов) потери с одного килограмма обрабатываемого подстилочного помета по опытным данным составляют: азот - 6,9 г, углерод - 6,6 г, влаги (за счет ее испарения) - 119 г. Потери указанных элементов в биореакторе происходят путем их эмиссии в газовоздушную смесь системы аэрации. Основные потери составляет аммиачный азот. Величина этих потерь в процессе термофильной ферментации подстилочного куриного помета (на опилках) достигает 30 % от его общего количества.
Учитывая ценность азота как необходимого элемента для развития растений, а также вредное влияние содержащихся в газовоздушной смеси NH3, CO2, H2S, CO и NOX на здоровье человека и эко-
систему, возникает необходимость очистки выброса и утилизации данных газов.
С целью повышения экологической безопасности биореактора и защиты человека и экосистемы в целом от газовых выбросов из системы аэрации необходимо решить ряд задач: определить составляющие газовоздешной смеси; их массовое распределение в течение периода ферментации, а также найти методы очистки, позволяющие обеспечить улавливание теряемых питательных элементов.
В соответствии с поставленными задачами исследований разработана (табл. 1) методика технологического расчета двухступенчатой системы очистки аэрационных выбросов [1, 2, 3]. Она позволяет вычислить массовые потери общего азота и влаги с единицы массы исходного обрабатываемого материала по абсолютно сухому веществу, процентному содержанию общего азота и влаги до начала и окончания процесса ферментации. За основу расчета взяты потери азота как элемента наиболее необходимого для питания растений и образующего летучие соединения, предельно допустимые концентрации, которых в воздухе рабочей зоны не должны превышать 20 мг/м3 [4]. Улавливание выбросов азота в методике предусмотрено проводить в двух ступенях: конденсацией паров, позволяющей очистить от 70 до 90 % выбросов [2] и абсорбционной доочисткой газовоздушной смеси. Методика сводит выбросы азота к нулю. В результате общая степень очистки системы равняется единице.
Таблица 1. Методика технологического расчета двухступенчатой системы очистки аэрационных выбросов
Показатели Перед процессом ферментации После процесса ферментации
Содержание в перерабатываемой массе: общего азота (N), кг (ACBbx*YNbx)/100 (АСВвых*^вых)/10°
влаги (w), кг (Mbx*Wbx)/100 (ACBBK*WaKy(100-WaK)
Часовые потери: общего азота (M4cN)> кг/ч (nbx - NBbIX )/Т
влаги (G), кг/ч (Wbx - WBbIx)/T
Продолжение табл. 1.
Показатели Перед процессом ферментации После процесса ферментации
Распределение азота по ступеням: в конденсат (M4KN), кг/ч в газовоздушную смесь после конденсации (M4BN), кг/ч концентрация аммиака в газовоздушной смеси после конденсации (YnH3k), кг/м3 в раствор при абсорбции (M4PN), кг/ч в атмосферу после абсорбции (M4AN), кг/ч концентрация аммиака выбрасываемого в атмосферу после абсорбции YnH3a, кг/м3 G*X\ M4oN - M4kN (KN*k(N-NH4)K* M4bN)/Pbi M4bN M4bN - M4pN (KN*k(N-NHV M4aN)/Pb2
Степень очистки:
ступени конденсации (t|i) (M40N - M4BN)/ M40N
ступени абсорбции
(П2 =1) (M4BN - M4aN)/ M4BN
всей системы (т|общ~1) [1 - (1 - П1 )*(1 - П2)]
Условные_обозначения: АСВВХ ,АСВВЫХ - абсолютно сухое вещество, кг;
Ynbx, Умвых - содержание общего азота, %; МВХ - масса обрабатываемого материала, кг; WBX, WBbiX - влажность, %; Т- период ферментации, ч; XNK - концентрация общего азота в конденсате, ktN/ktH20; Kn - коэффициент перевода азота в аммиак равен 1,21; k(N-NH4)K - коэффициент отношения количества содержащихся азота аммиака к общему азоту в газовоздушной смеси после конденсации паров принимается равным отношению количеств, содержащихся азота аммиачной формы и общего азота в конденсате; РВ1, РВ2 - расходы газовоздушной смеси после конденсации паров и после абсорбции соответственно, м3/ч.
Для решения поставленных задач проведены лабораторные исследования двухступенчатой системы очистки на лабораторной установке. Лабораторная установка состоит из лабораторного ферментатора и узла изучения процессов газообразования и газопоглощения (см. рисунок).
Схема лабораторной установки:
Ф - лабораторный фермента тор; А - атмосфера; АК - адиабатический калориметр; РК - ресивер-конденсатор; БФ - блок фильтрации; БА - секция барботажного аппарата; БИ - блок измерений; БУ -блок управления; 1, 2, 3, 4, 5, 6- краны; Р1, Р2 - ротаметры; Т1, Т2, Т3, Т4 - термометры; ГА1, ГА2 - газоанализаторы; К - конденсат.
Лабораторный фермента тор Ф выполнен в виде герметичной емкости. Он имеет подвод атмосферного воздуха А для процесса аэрации и газоотвод, подающий газовоздушную смесь в ресиверконденсатор РК. Температурный режим ферментации в лабораторном ферментаторе поддерживается адиабатическим калориметром АК. В
ресивере-конденсаторе происходит конденсация паров газовоздушной смеси. Узел изучения процессов газообразования и газопоглощения имеет три блока: блок фильтрации (газопоглощения) БФ, блок измерения параметров газовоздушной смеси БИ и блок управления режимами работы узла изучения процессов газообразования и газопоглощения БУ. Блок фильтрации состоит из ресивера-конденсатора РК и секции барботажного аппарата БА. Блок измерения состоит из ресивера с набором приборов для измерения параметров газовоздушной смеси. Блок управления состоит из системы воздуховодов и набора кранов управления: 1,2, 3, 4, 5, 6.
Лабораторный ферментатор позволяет загрузить 20 кг исходного помета и проводить аэробную ферментативную переработку в температурном режиме до 70 оС с расходом воздуха 4,8*10 -3 м3/ч*кг. Узел изучения процессов газообразования и газопоглощения работает в трех режимах.
Режим 1: краны 2, 5 - открыты; краны 1, 3, 4, 6 - закрыты.
Путь движения газовоздушной смеси: Ф-РК-БА-А. Происходит непрерывная очистка газовоздушной смеси (газопоглощение) процессами конденсации паров и абсорбции.
Режим 2: краны 1, 3, 5 - открыты; краны 2, 4, 6 - закрыты.
Путь движения газовоздушной смеси: Ф-РК-БИ-БА-А. Происходит измерение параметров газовоздушной смеси после процесса конденсации паров (перед секцией барботажного аппарата).
Режим 3: краны 2, 4, 6 - открыты; краны 1, 3, 5 - закрыты.
Путь движения газовоздушной смеси: Ф-РК-БА-БИ-А. Происходит измерение параметров газовоздушной смеси после процесса абсорбционной доочистки секцией барботажного аппарата.
Приборы лабораторной установки позволяют измерять следующие параметры: расход воздуха на аэрацию обрабатываемой массы в лабораторном ферментаторе и выброс газовоздушной смеси до и после барботажного аппарата в зависимости от режима работы узла изучения процессов газообразования и газопоглощения соответственно (Р1, Р2); температура ферментации, окружающей среды, газовоздушной смеси в ресивере-конденсаторе и газовоздушной смеси в блоке измерения соответственно (Т1, Т2, Т3, Т4); концентрации NH3, H2S, CO, NOX в газовоздушной смеси до и после барботажного аппа-
рата в зависимости от режима работы узла изучения процессов газообразования и газопоглощения (ГА1); концентрации CO2 в газовоздушной смеси до и после барботажного аппарата в зависимости от режима работы узла изучения процессов газообразования и газопоглощения (ГА2); объем полученного конденсата (К).
Изучение процессов газообразования за период ферментации помета (48 часов) и конденсации паров производили в следующей последовательности. В лабораторный ферментатор загружалось 20 кг подстилочного помета влажностью 40-70 %, реакцией среды рН 5,57,5 и содержанием органического вещества в пересчете на сухую массу не менее 60%. Определяли исходную влажность, зольность и | содержание N„ P„ K в помете. Устанавливали расход аэрационного 1 Отформатировано: Русский воздуха 4,8*l0-3 м3/ч на кг помета в режиме 1 работы узла изучения Отформатировано: Русский
процессов газообразования и газопоглощения. При достижении ин- \г _ . ^
тервала температур ферментации от 25 до 70 С в режиме 2 произво- 1--------------------------
дили измерение температуры ферментации, времени ферментации, концентраций NH3, H2S, CO, NOX в газовоздушной смеси, объема образующегося конденсата, температуры газовоздушной смеси в ресивере-конденсаторе и температуры окружающей среды. После проведения опыта определялась влажность, зольность и содержание N, P,
K выходного продукта (компоста) а также содержание N, P, K в конденсате. Результаты исследований представлены в табл. 2 и 3.
Таблица 2 .Характеристики помета, компоста и конденсата
Показатели* Помет Компост Конденсат
Влажность 50,6 44,6 -
Азот общий (N) 4,30 2,97 49,5
Азот (N-NH4) 0,78 0,5 13,0
Фосфор (P) 1,768 1,761 14,38*10-3
Калий (K) 1,09 1,12 нет
*
значения показателей для помета и компоста приведены в
%, для конденсата - в г/л.
Таблица 3. Изменение состояния газовоздушной смеси (в пересчете на 1 кг обрабатываемого помета) в ходе ферментации
Показатели При температуре ферментации, 0С
30 35 65 67 70 67 Сред- нее за про- цесс Сред- неква- драти- чное откло- нение
Скорость конденсации, Мл/ч 0,07 0,13 0,34 1,432 1,315 1,88 0,862 0,774
Общие потери азота, Мг/ч 11,0 23,0 24,0 85,0 79,0 110,0 55,0 41,0
Удержание азота в конденсате, Мг/ч 3,6 6,5 17,0 71,0 65,0 93,0 43,0 38,0
Выброс азота в воздух после конденсации паров, Мг/ч 7,7 8,14 6,77 13,54 13,54 13,54 10,43 3,89
Концентрация NH3 после конденсации паров, Мг/м3 420,0 483,0 403.0 805,0 816,0 816,0 624,0 208,0
Расход газовоздушной смеси после лабораторного ферментатора, конденсации паров и охлаждения ее до температуры аэрационного воздуха (+10°С) составил 5,03*10-3 м3/ч кг. Следовательно, ферментация куриного помета сопровождается процессом газообразования.
Газовый выброс представлял собой паро-воздушную смесь с повышенным содержанием аммиака. Окись углерода, углеводороды и окислы азота в выбросе не были обнаружены. Анализ конденсата, образующегося при ферментации помета, показывает, что большая часть теряемого азота (свыше 80%) переходит в него.
Чтобы исключить выброс азотосодержащих веществ в атмосферу, проведены исследования по качественному сравнению поглощающих растворов секции барботажного аппарата, выявляющие по-
тенциальные возможности абсорбционной доочистки газовоздушной смеси после конденсации паров. Исследования проведены при равных условиях работы секции барботажного аппарата: объемы поглощающих растворов составляли 0,5 л; концентрации растворов - 0,01 нормального раствора; скорость истечения струи газо-воздушной смеси из отверстия секции барботажного аппарата - 1,5 м/с; высота столба раствора над отверстием, определяющая длину пути и время пребывания пузырьков газовоздушной смеси в среде поглощающего раствора [3], равнялась 113 мм. Измерения выбросов азота производились по аммиаку в области максимальных концентраций. Показания снимались в режимах 2 и 3 работы лабораторной установки. Результаты исследований представлены в таблице 4.
Таблица 4. Результаты лабораторных исследований по качественному сравнению поглощающих растворов секции барботажного аппарата
Поглотитель T/-NH3 Y К мг/м3 -W-NH3 Y А, мг/м3
Среда Рас- твори- тель Реагент Концентрация нормального раствора
Нейтральная H2O H2O - 816,0 11,0
H2O KCL 0,01 816,0 2,9
H2O NaCL 0,01 816,0 1,7
Кислая H2O H2SO4 0,01 816,0 0,0
H2O HCL 0,01 816,0 0,0
H2O HNO3 0,01 816,0 0,0
Щелочная H2O NaOH 0,01 816,0 1,4
Качественное сравнение поглощающих растворов позволяет сделать вывод о том, что наибольший потенциал поглотительной способности имеют растворы с кислой средой, т. к. их степень очистки равняется единице. Дальнейшие исследования, связанные с оптимизацией режимов работы секции барботажного аппарата, будут проводиться в области поглотителей с кислой средой.
Выводы
1. Величины потерь азота и углерода с единицы массы обрабатываемого подстилочного помета за период ферментации подтверждают необходимость улавливания их соединений с целью повышения экологической безопасности биореактора и дальнейшей их утилизации.
2. Проведенные исследования подтвердили необходимость использования двухступенчатой системы очистки газового выброса из системы аэрации биореактора, позволяющей свести выбросы общего азота к нулю. В качестве первой ступени целесообразно использовать очистку конденсации, удерживающую большую часть теряемого общего азота. Вторая ступень - абсорбционная очистка позволит удержать оставшуюся часть азотных соединений и снизить содержание углекислого газа.
3. Полученный в результате конденсации паров продукт имеет высокую концентрацию общего азота (49,5 г/л) и может быть использован в качестве подкормки для растений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сухарева А. И. Охрана окружающей среды. - М.: Книга, 1984. - 207 с
2. Теплотехническое оборудование и теплоснабжение промышленных предприятий/ Голубков Б. Н. и др.-М.: Энергия, 1979. -544 с
3. Кафаров В. В. Основы массопередачи. - М.: Высшая школа, 1972. - 496 с
4. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. - Л.: Химия, 1975. - 456 с
Получено12.05.99.
