Автореферат: Повышение эффективности очистки газов при переработке навоза крупного рогатого скота с разработкой биофильтра

Таблица 2. Результаты исследований концентрации выделяющихся газов и характеристик пористого фильтрующего материала (смесь древесной стружки и компоста из навоза КРС и соломы)

Результаты экспериментальных исследований потерь давления и пористости фильтрующих материалов, представлены на рисунках 4 и 5.

В результате исследований потерь давления установлено, что при уменьшении пористости фильтрующего материала от 0,75 до 0,4 и увеличении скорости движения газового потока от 0,01 до 0,1 м/с потери давления возрастают от 0,3 до 10 Па.

Зависимость изменения пористости фильтрующего материала от его влажности и массовой доли компоста, показывает, что при увеличении влажности материала от 40 до 60% пористость снижается от 0,77 до 0,40.

Результаты экспериментальных исследований концентрации аммиака и сероводорода при компостировании соломонавозной смеси, представлены на рисунке 6.

В ходе проведенного экспериментального исследования концентрации аммиака и сероводорода установлено, что их концентрация увеличивается с возрастанием температуры компостируемой смеси, так при достижении температуры в смеси 65°С концентрация аммиака в выделяющихся газах максимальна и составляет 115 мг/м³, сероводорода 22 мг/м³, при ПДК 20 и 10 мг/м³, соответственно.

Рисунок 4. Зависимость изменения концентрации аммиака и сероводорода от времени компостирования

Увеличение концентрации аммиака и сероводорода обусловлено биохимическим разложением белков навоза, при этом рост числа микроорганизмов способствует росту температуры смеси до максимальных значений. Также экспериментально установлено, что в процессе ускоренного компостирования минимальное время, в течение газы необходимо подвергать очистке, составляет 11 суток.

Исследования по определению скорости фильтрации показали, что для обеспечения ламинарного течения газа в фильтрующем материале, скорость его движения не должна превышать 0,054 м/с.

В ходе экспериментальных исследований установлено, что минимальное время фильтрации, при котором достигается снижение концентрации газов до предельно допустимых значений, составляет 14 с. Следовательно, высота фильтрующего материала не должна быть ниже 0,75 м.

По результатам проведенного многофакторного эксперимента были получены регрессионные модели эффективности очистки газов от аммиака и сероводорода, выделяемых в процессе ускоренного компостирования соломонавозной смеси, в раскодированном виде:

- уравнение регрессии эффективности очистки от аммиака

Э_NH3=-0,066W²-0,038t²-0,016M²+6,245W+2,3t+1,84M - 143,375 (36)

- уравнение регрессии эффективности очистки от сероводорода

Э_H2S=-0,091W²-0,049t²-0,019M +9,167W +2,8t+1,979M - 227,312 (37)

Адекватность полученных регрессионных моделей по F-критерию Фишера составила, для аммиака 2,79 для сероводорода 2,62, при F_табл=19,4. Следовательно, полученные регрессионные модели можно считать адекватными.

Исследования по определению максимальной эффективности показали, что для аммиака при влажности фильтрующего материала 47%, массовой доли компоста 58% и температуре в материале 30°С эффективность очистки максимальна и составляет 92%. Для сероводорода при влажности 50%, массовой доли компоста 52%, и температуре 28°С максимальная эффективность очистки составляет 95%. На основании полученных регрессионных моделей и значений факторов примем среднее значений массовой доли компоста 55%. Полученные трехмерные графические зависимости представлены на рисунке 5.

а) б)

Рисунок 5. Поверхность отклика эффективности очистки газов от аммиака (а) и сероводорода (б) фильтрующим материалом с массовой долей компоста 55%

Для получения области оптимальных значений построим совмещенный контурный график двух регрессионных моделей эффективности очистки, рисунок 8.

Из анализа совмещенных поверхностей видно, что если поддерживать в фильтрующем материале с массовой долей компоста 55% влажность 47…52% температуру 26…33°С эффективность очистки газов от аммиака и сероводорода соответственно составит 91 и 94%.

В процессе работы биофильтра фильтрующий материал, накапливает элементы питания растений, содержание азота на 10…15% выше, чем в компосте, что позволяет сделать вывод о том, что фильтрующий материал является готовым к использованию органическим удобрением.

В пятой главе «Опытно-производственная проверка и экономическая эффективность результатов внедрения» представлены результаты опытно-производственной проверки и внедрения биофильтра в ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского района Тамбовской области при переработке навоза в цехе биоферментации производительностью 400 т/год соломонавозной смеси и в научно-производственном предприятии ООО «Вектор», специализирующемся на разработке и выпуске техники для производства удобрений.

Оценка экономической эффективности от внедрения биофильтра показала, что данный способ очистки газов характеризуется малым сроком окупаемости капитальных затрат 1,5 года и высоким коэффициентом эффективности капитальных вложений 67%.

Общие выводы

1. При ускоренном компостировании соломонавозной смеси в камерных установках в результате биохимического разложения ее компонентов, приводящих к увеличению температуры в смеси до 60…65°С, образуется значительное количество газов, содержащих в своем составе сероводород и аммиак, концентрация которых изменяется от 15 до 22 и от 70 до 115 мг/м³ соответственно, что превышает предельно допустимые уровни от 2 до 5,5 раз.

2. Теоретически установлена взаимосвязь процессов массопереноса газов через пористый слой, адсорбции, абсорбции и микробиологического разложения газов в фильтрующем материале. Причем эффективность биологической очистки, как критерия оптимизации параметров биофильтра, в значительной степени зависит от плотности диффузионного потока, объема фильтрующего материала, его влажности, температуры, времени фильтрации, концентрации входящих газов и удельной площади поверхности.

Получены теоретические зависимости максимальной скорости потока газов и высоты фильтрующего материала, как основных конструктивно-режимных параметров биофильтра, от физико-механических характеристик фильтрующего материала, как пористой среды.

3. По результатам экспериментальных исследований физико-механических свойств фильтрующих материалов с различной массовой долей компоста из навоза КРС и соломы, установлено, что при увеличении их влажности от 40 до 60% пористость снижается от 0,78 до 0,4, насыпная плотность от 550 до 120 кг/м³, что ухудшает работу биофильтра.

Исследования по определению потерь давления, при движении газов в фильтрующем материале, показали, что с увеличением скорости потока от 0,01 до 0,1 м/с и снижении пористости от 0,75 до 0,4 потери давления увеличиваются от 0,3 до 10 Па.

4. Установлено, что для очистки газов при переработке соломонавозной смеси оптимальный состав фильтрующего материала содержит 55% готового компоста из соломонавозной смеси и 45% древесных стружек, при этом влажность материала должна быть 47…52%, а температура 26…33°С.

5. Определены конструктивно-режимные параметры биологического фильтра для очистки газов, так на 1 м³ компостируемой смеси навоза КРС и соломы необходим биофильтр объемом 0,09 м³, площадью поперечного сечения 0,12 м², высотой фильтрующего материала 0,75 м, скоростью потока газов 0,054 м/с. Данные параметры обеспечивают эффективность очистки по аммиаку 87…91%, по сероводороду 90…94%.

6. Производственная проверка и внедрение биофильтра в цехе ускоренного компостирования соломонавозной смеси в камерных установках, производительностью 400 т/год обеспечивает снижение концентрации аммиака и сероводорода в отходящих газах до уровня ПДК, при этом эффективность капитальных вложений составляет 67%, при сроке их окупаемости 1,5 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Криволапов, И.П. Анализ биохимических процессов при компостировании [Текст] / И.П. Криволапов // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2010, Ч. 1. - С. 65-68.

2. Криволапов, И.П. Методика экспериментального исследования биологической фильтрации газовых выбросов [Текст] / И.П. Криволапов // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2011, Ч. 2. - С. 45-49.

3. Криволапов, И.П. Исследования состава газовых выбросов при компостировании [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапов // Вопросы современной науки и практики: Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2012, Т.1. - С. 336-341.

4. Криволапов, И.П. Анализ газовых выбросов при переработке органического сырья в животноводстве [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапов // Сб. науч. тр. Всерос. науч. практ. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2009. - С. 107-110.

5. Криволапов, И.П. Анализ методов очистки газовых выбросов в животноводстве [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапов // Сб. науч. тр. Всерос. науч. практ. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2010. - С. 92-95.

6. Криволапов, И.П. Разработка биологического фильтра для очистки воздуха в животноводстве [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапов // Сб. науч. тр. Междунар. науч. практ. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2010. - С. 97-101.

7. Криволапов, И.П. Применение биологического фильтра для очистки воздуха [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапов // Интродукция нетрадиционных и редких растений: мат. IX Междунар. науч.-метод. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2010. - С. 353-356.

8. Криволапов, И.П. Проблемы производства компостов и их применения в садоводстве [Текст] / В.В. Миронов, М.В. Криволапов, И.П. Криволапов // Современные системы производства, хранения и переработки высококачественных плодов и ягод: мат. науч.-практ. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2010. - С. 193-195.

9. Криволапов, И.П. Теоретический анализ ключевых этапов процесса биологической фильтрации [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапов // Сб. науч. тр. Всерос. науч. практ. конф. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2011. - С. 80-83.

10. Криволапов, И.П. Теоретическое исследование процесса биологической фильтрации газовых выбросов в животноводстве [Текст] / В.В. Миронов, И.П. Криволапов // Сборник трудов ГНУ ВНИИМЖ, т. 22, ч. 3 Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные технологии и модернизация в отрасли: мат. 13-й науч.-практ. конф., - Подольск: Изд-во ГНУ ВНИИМЖ, 2011. - С. 205-211.

11. Пат. 96371 Российская Федерация, RU¹¹ U1, МПК⁵¹, С12М 1/00. Биологический фильтр [Текст] / Миронов В.В., Криволапов И.П.: заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Мичуринский ГАУ; заявл. 31.03.2010; опубл. 27.07.2010. - 2 с.