CC BY
59
УДК 631.1.004.18:636.22/28
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА
Д.А. Ковалев, кандидат технических наук, заведующий отделом А.А. Ковалев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства E-mail: [email protected]
Аннотация. Одним из путей рационального использования навоза и навозных стоков животноводческих ферм является их анаэробное сбраживание, которое является наиболее эффективным способом обезвреживания жидкого навоза и сохранения его как удобрения при одновременном получении локального энергоносителя - биогаза. Анаэробная обработка навоза и навозных стоков является наиболее экологичной и энергоэффективной технологией из хорошо разработанных на сегодняшний день. Однако применяемые в настоящее время установки требуют значительных энергетических и капитальных затрат, поскольку в них обрабатывается весь поток навоза без разделения на фракции, а в отдельных случаях к обрабатываемому навозу добавляются так называемые энергетические культуры. В работе приведены основные недостатки существующих систем переработки навоза и предложены способы их устранения. Показаны технологическая схема и блок-схема, а также порядок работы усовершенствованной технологии анаэробной переработки отходов животноводства. Применение усовершенствованной технологии позволит более эффективно использовать биоэнергетический потенциал органических отходов животноводства, улучшить экологическую обстановку на прифермских территориях, повысить качество органических удобрений, снизить стоимость оборудования для анаэробной переработки отходов животноводства и создать новые рабочие места.
Ключевые слова: компрессионный тепловой насос (КТН), биогазовая установка, рекуперация теплоты.
Анаэробная обработка навоза и навозных стоков является наиболее экологичной и энергоэффективной технологией из хорошо разработанных на сегодняшний день. Однако применяемые в настоящее время установки требуют значительных энергетических и капитальных затрат, поскольку в них обрабатывается весь поток навоза без разделения на фракции, а в отдельных случаях к обрабатываемому навозу добавляются так называемые энергетические культуры. При этом степень разложения органического вещества не превышает 30-35%.
Из литературных источников и экспериментальных данных хорошо известно, что биогаз образуется из растворенных органических веществ, находящихся в субстрате. В исходном навозе в растворенном виде может находиться до 30% органического вещества, что практически совпадает со степенью разложения органического вещества в биореакторе при сбраживании нативного навоза. Это
позволяет сделать вывод о том, что при сбраживании нативного навоза до 70% органического вещества является балластом и не участвует в процессе образования биогаза [1].
Одним из путей рационального использования навоза и навозных стоков животноводческих ферм является их анаэробное сбраживание, которое является наиболее эффективным способом обезвреживания жидкого навоза и сохранения его как удобрения при одновременном получении локального энергоносителя - биогаза.
Однако существующие системы переработки навоза имеют ряд недостатков:
- значительный объем реактора, что требует значительных затрат на изготовление и монтаж оборудования;
- низкая производительность, связанная с низкой концентрацией активной анаэробной микрофлоры в реакторном пространстве и ее постоянным вытеснением свежей порцией, поступающей на обработку;
Journal of VNIIMZH №4(20)-2015
125
- нестабильность состава биогаза за счет колебаний концентрации активной анаэробной микрофлоры в реакторном пространстве;
- невозможность использования обработанного навоза (эффлюента) в качестве удобрения круглогодично, что приводит к необходимости строительства хранилищ эф-флюента, которые, в свою очередь, удорожают строительство и не обеспечивают требуемого качества хранения.
Эти недостатки связаны, в основном, со свойствами обрабатываемых отходов, так как эти отходы содержат значительное количество сложных органических взвешенных веществ, для разложения которых требуется значительное время пребывания в реакторе.
Для устранения указанных недостатков предлагается применить многоступенчатую обработку, блок-схема которой приведена на рис. 1, а технологическая схема - на рис. 2.
Данная многоступенчатая обработка включает в себя:
- применение предварительной обработки навоза для обеспечения разогрева субстрата и осуществления гидролиза сложных органических соединений с целью максимального перевода органического вещества в растворимую форму;
- разделение предварительно обработанного (гидролизованного) навоза на фракции
с получением максимально обезвоженной
твердой фракции и жидкой фракции с минимальной концентрацией взвешенных веществ;
- раздельная обработка жидкой и твердой фракции предварительно обработанного навоза. Жидкая фракция обрабатывается в высокоскоростных биореакторах второго поколения, твердая фракция используется для приготовления удобрений методом компостирования;
- обработка эффлюента анаэробного биореактора для извлечения соединений аммония с последующей его доочисткой в аэробных реакторах с целью повторного использования жидкости для удаления навоза;
- рекуперация тепловой энергии эффлю-ента для повышения энергетической эффективности системы.
Система анаэробной переработки отходов животноводства, основанная на предлагаемой технологии, состоит из навозосборника 2, последовательно соединенного с фекальным насосом 3, аппаратом предварительной обработки 4, в котором смонтирован теплообменник, сепаратором 5, проточным анаэробным биореактором 6 с теплообменниками для поддержания температурного режима сбраживания и выгрузным устройством, которое связанно с рекуперативным теплообменником, мокрым скруббером 8 и БВЯ-ре-актором 12.
Сбор и гомогенизация навоза
X
Предварительная обработка навоза (гидролиз)
Рис. 1. Блок-схема усовершенствованной технологии анаэробной переработки отходов животноводства
Жидкая — Разделение на фракции 1—» Твердая
А 1
Анаэробная обработка в реакторе второго поколения Спешивание с влагопоглощающш! Материалом
Рекуперация тепловой энергии
Компостирование
Отлувка аммонийного азота (стриппннг)
Доочистка ¡кндкоД фракции
126
Вестник ВНИИМЖ №4(20)-2015
Рис. 2. Технологическая схема усовершенствованной технологии анаэробной переработки отходов животноводства: 1 - животноводческое предприятие; 2 - навозосборник; 3 - фекальный насос; 4 - аппарат предварительной обработки; 5 - сепаратор; 6 - анаэробный биореактор; 7 - рекуперативный теплообменник; 8 - мокрый скруббер; 9 - аэробный ферментер; 10 - смеситель, 11- газгольдер; 12 - 8БЯ-реактор
Система анаэробной переработки отходов животноводства, основанная на предлагаемой технологии, работает следующим образом: из навозосборника 2 исходный субстрат при помощи фекального насоса 3 подается в аппарат предварительной обработки 4, в котором смонтирован теплообменник для нагрева исходного субстрата до температуры сбраживания. Из аппарата предварительной обработки 4 предварительно обработанный субстрат поступает в сепаратор 5 для разделения предварительно обработанного субстрата на твердую и жидкую фракции. Жидкая фракция субстрата подается в проточный анаэробный биореактор с теплообменниками для поддержания температурного режима сбраживания и выгрузным устройством, которое последовательно связано с рекуперативным теплообменником, используемым для подогрева исходного субстрата, мокрым скруббером 8 и ББЯ-реактором 12 периодического действия. Воздух, используемый в мокром скруббере 8 для отдувки анаэробно обработанной жидкой фракции субстрата, направляется в аэробный ферментер 9 для компостирования твердой фракции субстрата в смеси с влагопоглощающим материалом, подаваемым в смеситель 10.
Выработанный в результате обработки в анаэробном биореакторе 6 биогаз накапливается в газгольдере 11 и используется для нужд потребителей и в энергоблоке для подогрева исходного субстрата, а также для компенсации тепловых потерь через ограждающие конструкции и трубопроводы анаэробного биореактора 6.
Энергоблок состоит из компрессионного теплового насоса 1, используемого для рекуперации отбросной теплоты эффлюента, воздуходувки 2, служащей для подачи воздуха в мокрый скруббер, электрогенератора 3, вырабатывающего электроэнергию для привода фекального насоса, и двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 4, работающего на биогазе или резервном топливе. Компрессор теплового насоса 1, воздуходувка 2 и электрогенератор 3 приводятся от вала отбора мощности ДВС 4 [2,3]. Испаритель компрессионного теплового насоса 1 по средствам трубопроводов связан с рекуперативным теплообменником, а конденсатор - с теплообменником в аппарате предварительной обработки. Система охлаждения ДВС 4 связана трубопроводами с теплообменниками в анаэробном биореакторе. Блок-схема энергоблока приведена на рисунке 3.
Лоигпа! оГ VNIIMZH №4(20)-2015
127
Тепловая энергия Тепловая энергия Е те1[ло 0 ö^g цщц; а стар ата
Применение усовершенствованной технологии позволит более эффективно использовать биоэнергетический потенциал органических отходов животноводства, улучшить экологическую обстановку на при-фермских территориях, повысить качество органических удобрений, снизить стоимость оборудования для анаэробной переработки отходов животноводства и создать новые рабочие места.
Литература:
1. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. М., 1991.
2. Ковалев А.А., Ковалев Д.А. Применение компрессионного теплового насоса в системе очистки навозных стоков // Вестник ВНИИМЖ. 2014. №3. С. 149-152.
3. Ковалев А.А. Энергонезависимая установка для переработки органических отходов животноводства // Вестник ВИЭСХ. 2013. №2(11). С. 66-70.
Literatura:
1. Gyunter L.I., Gol'dfarb L.L. Metantenki. M., 1991.
2. Kovalev A.A., Kovalev D.A. Primenenie kompression-nogo teplovogo nasosa v sisteme ochistki navoznyh sto-kov // Vestnik VNIIMZH. 2014. №3. S. 149-152.
3. Kovalev A.A. EHnergonezavisimaya ustanovka dlya pe-rerabotki organicheskih othodov zhivotnovodstva // Vestnik VIEHSKH. 2013. №2(11). S. 66-70.
THE LIVESTOCK ORGANIC WASTE'S ANAEROBIC PROSESSING TECHNOLOGY 'S IMPROVING D.A. Kovalev, candidate of technical sciences, department head A.A. Kovalev, candidate of technical Sciences, senior research worker All-Russian research Institute of agriculture electrification
Abstract. One of the ways of manure and livestock farms' manure drains' rational use is there anaerobic fermentation, that is the most effective method of the liquid manure decontamination and save it as fertilizer, as well as the local energy source biogas's obtaining. The manure and manure drains' anaerobic treatment is the most environmentally and energy efficient technology from well developed at present. However the currently used units require significant energy and capital costs, because they have treated the entire manure's flow without fractions' separation, and in some cases to the treated manure are added the so-called energy crops. The paper presents the manure processing existing systems main disadvantages and the ways of their eliminating are proposed. The technological scheme and block-scheme are shown, as well as the animal waste anaerobic treatment's advanced technology's operation. The of improved technology's application will allow to use the livestock organic waste bioenergy potential more efficiently, the farms territories' ecological situation and quality of organic fertilizers' to improve, the equipment cost of animal waste anaerobic treatment to reduce and new jobs to create.
Keywords: compression heat pump (KTH), the biogas unit, the heat recuperation.
12S
Вестник ВНИИМЖ №4(20)-2015
