CC BY
101
УДК 631.1.004.18:636.22/28
УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПТИЧЬЕГО ПОМЕТА
Д.А. Ковалев, кандидат технических наук, заведующий лабораторией А.А. Ковалев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: kovalev ana@mail.ru
Аннотация. В статье рассматривается одно из возможных решений переработки птичьего помета путем анаэробного сбраживания в биореакторах с повышенным давлением с получением органических и минеральных удобрений и энергоносителя в виде биогаза. Приведены характеристики ингибирующих веществ для анаэробного сбраживания. Предложена технология анаэробной переработки, устраняющая проблемы, связанные с высокой нагрузкой по органическому веществу и ингибированием аммонийным азотом. Применение предлагаемой технологии позволит наиболее полно использовать биоэнергетический потенциал помета и других органических отходов с высоким содержанием азота; перерабатывать помет с низкой влажностью (до 70%), получаемый при клеточном содержании и транспортерной уборке помета, при снижении объемов воды для разбавления. В результате использования предлагаемой технологии будут получены следующие продукты: биогаз (смесь метана и углекислого газа) - энергоноситель, который можно использовать для различных нужд; твердая фракция анаэробно обработанного помета - органическое удобрение; аммиачная вода - минеральное удобрение. Приведены описание работы линии анаэробной переработки бесподстилочного помета с низкой влажностью и ее технологическая схема. Ключевые слова: анаэробная переработка, птичий помет, аммонийный азот, тепловой насос.
Современные птицеводческие комплексы являются производителями не только мяса птицы, но и отходов, причем в количестве гораздо большем, чем основной продукции. Наибольший удельный вес среди них принадлежит помету. Если, например, за один год от одной курицы-несушки получают 250300 шт. яиц (15-18 кг яйцемассы), то за тот же период курица выделяет 55-73 кг помета влажностью 65-75%. При выращивании бройлеров на каждый килограмм полученного мяса дополнительно получают три килограмма помета. На многих птицекомплексах количество помета, получаемое за год, достигает десятков и даже сотен тысяч тонн. Утилизация птичьего помета превратилась в трудноразрешимую проблему для многих птицеводческих хозяйств, поскольку требует больших затрат материально-технических и денежных средств, а также наличия значительных площадей сельхозугодий. Свежий помет является источником неприятных запахов, выделений ядовитых газов (аммиака, сероводорода), в нем могут содержаться в значительном количестве семена сорных
растений, яйца гельминтов, он является благоприятной средой для развития патогенных микроорганизмов. При несвоевременной переработке такой помет становится источником загрязнения окружающей среды (атмосферы, водоемов, почв, подземных вод). Без переработки тем или иным способом свежий помет не рекомендуется также использовать в качестве удобрения.
Проблема надежной защиты окружающей природной среды от загрязнения птичьим пометом, сточными водами и непищевыми отходами птицепереработки является в настоящее время актуальной практически для всех птицеводческих хозяйств Российской Федерации. Складывающаяся негативная тенденция может привести в самой ближайшей перспективе к экологической катастрофе хозяйств с непредсказуемыми отрицательными последствиями для жителей населенных пунктов, к гибели флоры и фауны не только птицеводческих, но и соседних территорий, вполне реально возникновение инфекционных и инвазионных болезней у людей, животных и птицы.
Journal of VNIIMZH №3(27)-2017
115
Птичий помет - это продукт метаболизма птицы, коллоидной консистенции, комковато-пористой структуры, выделяемой из организма птицы. Как известно, птица по своему физиологическому состоянию способна вместе с пометом выделять возбудителей болезней (сальмонеллы, шигеллы, эшерихии и другие энтеропатогены). Из вышесказанного встает вопрос об утилизации птичьего помета, так как по масштабам бактериального загрязнения птицефабрик в соответствии с требованиями СанПин по воздействию на здоровье человека птичий помет отнесен к первому классу опасности [1].
Для подготовки к использованию в качестве удобрения птичий помет целесообразно подвергать анаэробной обработке в биогазовых установках с одновременным получением биогаза. Высокое содержание органического вещества в птичьем помете обуславливает высокий выход биогаза, однако при анаэробном сбраживании субстратов с высоким содержанием азота возникает проблема ингибирования процесса аммонийной формой азота.
Анаэробное сбраживание подвержено ин-гибирующему воздействию некоторых токсичных веществ. Кроме того, ингибиторами являются также и ряд собственных интерме-диатов (водород, ЛЖК) и сопутствующих продуктов (аммиак, сероводород). Ингиби-рование интермедиатами по типу обратной связи возникает тогда, когда процесс недостаточно сбалансирован, из-за чего накапливается значительное количество этих интер-медиатов. Водород является таким сильным ингибитором, что при его концентрации в газовой фазе 0,2-0,5% процесс может полностью остановиться. Ингибирующий эффект ЛЖК, помимо их концентрации, зависит и от рН, т.к. наиболее токсичны не анионы, а сами недиссоциированные кислоты. Ингиби-рование уксусной кислотой становится заметным при концентрации ее недиссоцииро-ванной формы, превышающей 10 мг/л. В целом же, даже при рН выше 7, ЛЖК могут быть ингибиторами при концентрациях около 2000 мг/л. При сбраживании органических отходов, богатых азотом, возникает
проблема ингибирования аммиаком, который в этих условиях может существовать в двух находящихся в равновесии формах: в виде растворенного аммиака и в виде иона аммония. Более токсичным является растворенный аммиак. Эта форма становится заметной при рН более 7,2.
Характеристики ингибирования и токсичности ряда веществ для процесса метанового сбраживания приведены в таблице 1 [2].
Таблица 1. Характеристики ингибирования и токсичности некоторых веществ для процесса _метанового сбраживания_
Ингибитор Пороговая концентрация, мг/л 150*, мг/л
ЛЖК 2000 -
Ион аммония КН4+ 1000 1000-4500
Растворенный аммиак КН3 - 50
Сероводород Н28 50 250
Сульфат-ион 8042- 1000 10000
Нитрат-ион N03 50 -
Циан-ион С№ 1 1 - 25
Примечание: * - концентрация ингибитора, при которой метаногенная активность снижается наполовину
Для устранения проблем, связанных с высокой нагрузкой по органическому веществу и возможностью ингибирования процесса анаэробного сбраживания аммонийным азотом, нами предлагается следующая технология анаэробной переработки птичьего помета, схема которой приведена на рисунке 1.
Линия анаэробной переработки бесподстилочного помета с низкой влажностью работает следующим образом. Исходный помет совместно с жидкой фракцией анаэробно обработанного субстрата подается в резервуар предобработки 1, где с помощью механической мешалки 2 и теплообменного аппарата 3 подготавливается к анаэробному сбраживанию. Подготовленный субстрат из резервуара предобработки 1 с помощью насоса загрузки 4 подается в анаэробный биореактор 5 через устройство загрузки 6. Анаэробный биореактор 5 оборудован теплообмен-ным аппаратом 7 и устройством газового перемешивания 8 для поддержания оптимальных условий жизнедеятельности сообщества анаэробных микроорганизмов.
Рис. 1. Технология анаэробной переработки птичьего помета
В анаэробном биореакторе 5 поддерживается избыточное давление в реакторном пространстве на уровне 1,5-2,0 ати с помощью компрессора биогаза 18. При подаче сжатого газа в метантенке повышается концентрация растворенной углекислоты, которая, являясь акцептором водорода, снижает его парциальное давление и тем самым улучшает условия жизнедеятельности ацета-тразлагающих метаногенов, в результате чего повышается выход метана. При повышении концентрации СО2 может быть увеличена нагрузка на метантенк. Повышение концентрации углекислоты может быть достигнуто введением топочных газов, а также повышением давления в метантенке [3]. Повышая давление в биореакторе, можно достичь снижения рН за счет растворения углекислого газа, содержащегося в биогазе.
Анаэробно обработанный субстрат через устройство выгрузки 19 самотеком поступает в резервуар дегазации 9, в котором за счет водокольцевого насоса 14 поддерживается вакуум. Резервуар дегазации 9 оборудован газовым колпаком 10, теплообменным аппаратом 11 и устройством выгрузки 12. Дегазированный анаэробно обработанный субстрат из резервуара дегазации 9 через уст-
ройство выгрузки 12 поступает в устройство механического разделения 13 для разделения на фракции. Сгущенная фракция анаэробно обработанного субстрата применяется как органическое удобрение. Жидкая фракция анаэробно обработанного субстрата подается в резервуар предобработки 1. В резервуаре дегазации 9 за счет снижения давления над анаэробно обработанным субстратом с помощью водокольцевого насоса 14 происходит снижение растворимости газов в жидкости, которые собираются в газовом колпаке 10 и, смешиваясь с оборотной водой в водо-кольцевом насосе 14, в растворенном виде поступают в емкость 16 для накопления аммиачной воды.
Биогаз, полученный в результате анаэробной обработки субстрата, направляется в мокрый скруббер 15, где очищается от сероводорода. Промывочная вода из мокрого скруббера 15 используется в водокольцевом насосе 14 в качестве рабочего тела, после чего направляется в емкость 16. Емкость 16 оснащена теплообменным аппаратом 17 для охлаждения оборотной воды, используемой в водокольцевом насосе 14 в качестве рабочего тела, что обеспечивает повышение растворимости в ней газов, поступающих из ре-
Лоигпа! оГ VNIIMZH №3(27)-2017
117
зервуара дегазации 9. При этом теплообмен-ный аппарат 11 и 17 посредством трубопроводов связан с испарителем теплового насоса, а теплообменные аппараты 3 и 7 - с конденсатором теплового насоса, что позволяет рекуперировать тепловую энергию.
Выводы.
Применение предлагаемой технологии позволит:
- наиболее полно использовать биоэнергетический потенциал помета и других органических отходов с высоким содержанием азота.
- перерабатывать помет с низкой влажностью (до 70%), получаемый при клеточном содержании и транспортерной уборке помета, при снижении объемов воды для разбавления.
В результате использования предлагаемой технологии будут получены следующие продукты:
- биогаз (смесь метана и углекислого газа) - энергоноситель, который можно использовать для различных нужд (получение тепловой и электрической энергии, топливо для автотракторной техники и т.п.).
- твердая фракция анаэробно обработанного помета - органическое удобрение.
- аммиачная вода - минеральное удобрение.
Литература:
1. URL: http://mYlektsii.ru/13-30522.html
2. Калюжный С.В., Данилович Д.А., Ножевникова А.Н. Итоги науки и техники. Т. 29. М., 1991.
3. Гюнтер Л., Гольдфарб Л. Метантенки. М.,1991.
Literatura:
1. URL: http://mylektsii.ru/13-30522.html
2. Kalyuzhnyj S.V., Danilovich D.A., Nozhevnikova A.N. Itogi nauki i tekhniki. T. 29. M., 1991.
3. Gyunter L., Gol'dfarb L. Metantenki. M.,1991.
ADVANCED TECHNOLOGY OF POULTRY DUNG ANAEROBIC PROCESSING D.A. Kovalev, candidate of technical Sciences, head of laboratory A.A. Kovalev, candidate of technical sciences, senior research worker FGBNY FNAZ VIM
Abstract. The article discusses one of possible ways of poultry dung processing by anaerobic digestion in bioreac-tors with higher pressure and organic and mineral fertilizers and the biogas as energy carrier form obtaining. The inhibitory substances for anaerobic fermentation characteristics are given. The technology of anaerobic fermentation, eliminating the problems associated with the high load of organic matter and inhibition of ammonium nitrogen is proposed. The application of offered technology will allow more full to use bioenergy potential of dung and other organic wastes with high nitrogen content; as well as do dung processing with low humidity (70%) obtained at cage keeping and dung conveyer cleaning, and reducing the water volume for dilution.As the result of proposed technology using it will be received the following products: biogas (methane and carbon dioxide mixture o) - as the energy carrier that can be used for various purposes; the solid fraction of anaerobic treated dung-as organic fertilizer; the ammonia water - as mineral fertilizer. The description of nonlitter dung line with low humidity anaerobic processing and its technological scheme is given.
Keywords: anaerobic fermentation, poultry dung, ammonia nitrogen, heat pump.
