Утилизация стоков животноводства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1 Понятие, сырье и экология при использовании биогаза

1.1 Понятие, состав и применением биогаза

1.2 Сырьё для получения биогаза

1.3 Экология при использовании биогаза

Глава 2 Очищение, оборудование и влияние навоза на окружающую среду

2.1 Очищение навоза и подстилка для скота

2.2 Оборудование и процесс

2.3 Влияние на окружающую среду

Глава 3 Биоэнергетическая установка для метанового сбраживания жидкого навоза

3.1 Обоснование необходимости совершенствования процесса утилизации навоза

3.2 Технология утилизации навоза

3.3 Конструкционный расчет менантенка

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Актуальность темы. Как указывает отечественный и зарубежный опыт эксплуатации животноводческих предприятий, обеспечение благоприятной экологической обстановки в районах их расположения определяется рядом факторов, среди которых основной -- эффективность применяемых технологий удаления, обработки, хранения и использования навоза.

В последние годы большой объем неиспользованного навоза приводит к его накоплению на территориях предприятий, интенсивному засорению семенами сорной растительности, потере в навозе питательных веществ и его органической массы. Это обстоятельство связано с неудовлетворительным состоянием материально-технической базы хозяйств, отсутствием адаптивных вариантов технологий переработки навоза, что ведет к увеличению себестоимости органических удобрений. Повышение эффективности использования навоза достигается при помощи научно-обоснованных методов формирования рациональных вариантов машинных технологий приготовления органических удобрений и их внесения в почву. Для решения этих задач могут быть применены оптимизационные методы, обеспечивающие получение органических удобрений при минимальных затратах в конкретных условиях сельхозтоваропроизводителя.

Цель исследований - повышение эффективности использования навоза и обеспечения экологической безопасности сельскохозяйственного производства путём разработки методологических основ автоматизированного формирования адаптивных машинных технологий приготовления органических удобрений и их внесения в почву.

Научную новизну работы составляют:

§ методика определения технологических параметров сооружений и машин, необходимых для обеспечения экологически безопасной переработки навоза в органические удобрения;

§ алгоритм формирования машинных технологий;

§ метод автоматизированного проектирования машинных технологий производства органических удобрений с элементами экспертной оценки;

Практическую значимость имеют:

§ сформированные базы данных по технологиям и техническим средствам производства органических удобрений на основе навоза;

§ программа формирования машинных технологий получения органических удобрений с оценкой их экологической эффективности.

Структура и объем работы. Курсовая работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

Глава 1 Понятие, сырье и экология при использовании биогаза

1.1 Понятие, состав и применением биогаза

Биогаз -- газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид -- бактерии гидролизные, второй -- кислотообразующие, третий -- метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Состав и качество биогаза

50--87 % метана, 13--50 % CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан -- полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.

Применение биогаза

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива. Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Для новых строящихся предприятий экономия будет колоссальной. Ведь Вам не придется протягивать газопровод, линию электропередачи, устанавливать резервные дизельные генераторы и строить резервуары для отходов. За счет ускоренного сбраживания объем лагун можно уменьшить вдвое. Экономия капитальных затрат составит 30-40% от стоимости биогазовой установки.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании -- биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия -- 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

1.2 Сырьё для получения биогаза

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, помет, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов -- соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля -- технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков -- жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки -- мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов -- очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50--65 м биогаза с содержанием метана 60 %, 150--500 м биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза -- это 1300 м с содержанием метана до 87% -- можно получить из жира.

Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950-70-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20-30% от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычно установке с 60% до 95%.

В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа.

На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза. Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстроразлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить..

Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 500 м из 1 тонны.

Свалочный газ -- одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

1.3 Экология при использовании биогаза

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО₂, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана -- лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Производство биогаза.

Существуют промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространённый промышленный метод -- анаэробное сбраживание в метантенках.

Хорошая биогазовая установка должна иметь необходимые части:

* Емкость гомогенизации

* Загрузчик твердого (жидкого)сырья

* Реактор

* Мешалки

* Газгольдер

* Система смешивания воды и отопления

* Газовая система

* Насосная станция

* Сепаратор

* Приборы контроля

* КИПиА с визуализацией

* Система безопасности

Принцип работы установки по производству биогаза

Отходы периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный железобетонный резервуар оборудованный миксерами. В реакторе живут полезные бактерии, которые питаются отходами. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма -- отходов, подогрев до 35 °С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.

Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей.

Факторы, влияющие на процесс брожения:

* Температура

* Влажность среды

* Уровень рН

* Соотношение C : N : P

* Площадь поверхности частиц сырья

* Частота подачи субстрата

* Замедляющие вещества

* Стимулирующие добавки

Температура

Метановые бактерии проявляют свою жизнедеятельность в пределах температуры 0-70?С. Если температура выше они начинают гибнуть, за исключением нескольких штаммов, которые могут жить при температуре среды до 90?С. При минусовой температуре они выживают, но прекращают свою жизнедеятельность. В литературе как нижнюю границу температуры указывают 3-40С.

Площадь поверхности частиц сырья

Принципиальным является, что чем меньше частички субстрата, тем лучше. Чем больше площадь взаимодействия для бактерий и чем более волокнистый субстрат, тем легче и быстрее бактериям разлагать субстрат. Кроме того, его проще перемешивать, смешивать и подогревать без образования плавающей корки или осадка. Измельченное сырье имеет влияние на количество произведенного газа через длительность периода брожения. Чем короче период брожения, тем лучше должен быть измельчен материал. При достаточно длительном периоде брожения количество выработанного газа снова увеличится. При использовании измельченного зерна этого уже удалось достичь через 15 дней.

Потенциал биогаза

РК ежегодно накапливает до 300 млн т в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн т в сельскохозяйственном производстве, 50 млн т в виде бытового мусора. Эти отходы могут быть сырьём для производства биогаза. Потенциальный объём ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд м.

В США выращивается около 8,5 миллионов коров. Биогаза, получаемого из их навоза, будет достаточно для обеспечения топливом 1 миллиона автомобилей.

Рис. 1

биогаз навоз сбраживание метановый

Глава 2 Очищение, оборудование и влияние навоза

на окружающую среду

2.1 Очищение навоза и подстилка для скота

Очищение навоза необходимо делать с помощью шнекового сепаратора и специального «Биореактора», Вы можете производить из него необходимое количество подстилки для скота. При использовании подсушенной в «Биореакторе» твердой фракции навоза в качестве подстилки для КРС, Вы можете экономить до 3000 тнг. на корову в год:

· отсутствие расходов на заготовку, перевозку и утилизацию соломы, песка или опилок;

· подстилка из отделённых сепаратором и твёрдых составляющих навоза, подсушенных в «Биореакторе» - может немедленно помещаться в стойла;

· подстилка из отделённых твёрдых составляющих удобна, экологически безопасна и не вредит здоровью вымени;

· отделенная сепаратором твердая фракция навоза, подсушенная в «Биореакторе» - очень сухая и рассыпчатая масса без запаха;

· возможность использовать отработанной подстилки, в качестве удобрения не засоряя поля;

· более чистые коровы и меньше мух.

Коровы, переваривая пищу, производят молоко и пригодную для повторного использования биомассу - навоз. Молоко - главный приоритет производства, а экономия от использования переработанной биомассы только исследуется. Максимальная экономия возможна только при полном использовании всех доступных материалов. Использование в качестве органического удобрения - это самый старый и самый известный способ использования навоза. Однако в современное время существует ещё один способ применения этой ценной биомассы. Этот способ - использование обезвоженных твёрдых составляющих навоза в качестве подстилки для скота. Замечательно то, что этот новый способ использования биомассы не исключает её использование в качестве удобрения. Навоз, переработанный в подстилку, а затем использованная подстилка, переработанная в удобрение - это тройное использование одного материала.

Подстилка

Чтобы подстилка для скота могла использоваться по назначению, она должна быть в первую очередь удобной и безопасной для здоровья животных. Во-вторых, она должна быть экологически безопасной, и в-третьих, она должна быть экономичной в отношении закупочной цены, обращения и утилизации после использования. Традиционные материалы для подстилок: солома, деревянные стружки, опилки, резиновые коврики, песок и сухие твёрдые составляющие навоза.

Коровники и стойла - это заменители оригинальной окружающей среды животного, которое в дикой природе находится на открытом воздухе, на пастбищах и в лесу. В коровнике животное ограждено от влияния разных негативных факторов, но его содержание в неволе требует поддержания благоприятных санитарных условий и обеспечения удобства животного. Стойла можно хорошо очищать, но вопрос обеспечения подходящей подстилки для коров в данное время считается трудно решаемым. Традиционная солома, опилки и деревянные стружки - все это имеет свои проблемы, связано с большим количеством затраченного труда и ощутимыми финансовыми расходами. Резиновые коврики и маты позволяют уменьшить количество затраченного труда и повысить комфорт животных, но они дорого обходятся при покупке и обслуживании. На некоторых молочных фермах в качестве подстилки используется песок, это позволяет улучшить санитарные условия, но песок очень сильно влияет на износ оборудования и очистку.

Здоровье и гигиена животных

Мастит - бич молочной промышленности. Опасения относительно инфекции мастита сопровождают любые изменения в процессах на ферме, например, изменение материала подстилки. При использовании в качестве подстилки обезвоженного сепаратором и переработанного в «Биореакторе» навоза естественно возникает вопрос, как с такой подстилкой обеспечивать должные санитарные условия, чтобы здоровье стада оставалось на высоком уровне. Однако опрос людей на фермах, на которых переработанный навоз используется в качестве подстилки, обнаружил интересный факт. Заботы по обеспечению санитарных условий направляются прежде всего на поддержание гигиены в доильном зале, а на втором месте стоит уже обеспечение санитарных условий в отношении подстилки.

2.2 Оборудование и процесс

Комплекс по переработки твердой фракции в подстилку состоит из сепаратора и специального «Биореактора» - ферментера барабанного типа для ускоренного компостирования с механизированной системой подачи и распределения сырья по реактору с обеспечивающей системой аэрации.

Шнековый сепаратор, в котором разделение и прессование твердых составляющих производится при помощи шнека, что позволяет выдавливать всю свободную воду и большую часть связанной воды. В результате, отделенные твёрдые составляющие, получаются достаточно сухими и рассыпчатыми, чтобы их можно было сразу помещать в «Биореактор» с помощью шнекового транспортера.

«Биореактор» применяется для подсушки и обеззараживания твердых составляющих за счет технологии ускоренного компостирования. Так как процесс компостирования проходит при аэробных условиях (при постоянной продувке воздухом) и сопровождается постоянно высокой температурой (до 72 °С) - подсушка массы происходит без дополнительных энергоносителей за 24 часа.

При медленном вращении барабана вокруг своей оси происходит перемешивание и передвижение материала от начала к концу за счет специальных лопаток внутри корпуса барабана. За счет применения утеплителя «Биореактор» может эксплуатироваться вне помещений даже в холодное время года.

Период процесса переработки - 1 день.

Перерабатывающая ежедневная мощность участка до 15 т/сут.

Пульт управления "Биореактором" будет обеспечивать:

· запуск реактора оператором;

· защиту эл. двигателей от перегрузки по току;

· сигнализацию нормальной работы и аварийной остановки.

Пульт управления предусматривает контроль следующих параметров:

· контроль светового сигнала нормальной работы оборудования;

· контроль температуры массы в реакторе;

· контроль значения остаточного кислорода в массе.

2.3 Влияние на окружающую среду

Твёрдые составляющие навоза - это естественные элементы, которые всегда перерабатывались окружающей средой. Использование твёрдых составляющих навоза в качестве подстилки только положительно влияет на окружающую среду фермы, и кроме того, это ещё один способ их утилизации. У разделения навоза есть также дополнительные преимущества, которые включают:

· возможность более эффективно управлять питательной ценностью удобрения;

· отсутствие влияния купленной подстилки на окружающую среду;

· меньше неприятных запахов и экономия энергии.

Экономия - самое главное преимущество переработки навоза.

Использование твёрдых составляющих навоза, подсушенных в «Биореакторе», в качестве подстилки обеспечивает немедленную экономию средств, которые были бы затрачены на его приобретение.

Кроме того, расходы на приобретение, доставку и утилизацию традиционных подстилочных материалов могут достигать до 3000 тнг. на одну корову в год. Таким образом, экономия этих затрат моментально оправдывает все расходы на приобретение, обслуживание и использование современной системы для переработки навоза в подстилку. Кроме этого, отработанную подстилку можно использовать в качестве удобрения или продать в качестве удобрения.

Выгоды от использования сепаратора и «Биореактора» в качестве элемента системы для переработки навоза:

· автоматизация системы переработки навоза;

· уменьшения объема и количества лагун (навозонакопителей) в 2,5 раза (т.к. отделенная жидкая фракция выдерживается 4 мес. перед вносом в поля, а неразделенный навоз должен выдерживаться не менее 8 мес. (см. НТП 17-99*));

· снижение объема жидкого навоза на 30%;

· возможность использования отделенной жидкой фракции навоза для повторного смыва каналов навозоудаления;

· простая и безопасная перевозка сухого переработанного навоза на большие расстояния;

· возможность использования дождевальных машин и шланговых систем для орошения полей жидкой фракцией навоза;

· отсутствие засорения полей песком, деревянными опилками или соломой;

· отсутствие износа оборудования от песка (см.приложение 1).

Глава 3 Биоэнергетическая установка для метанового сбраживания жидкого навоза

3.1 Обоснование необходимости совершенствования процесса утилизации навоза

Сельскохозяйственные животные часто поражаются заболеваниями, вызываемыми паразитическими червями - гельминтами. Из-за пораженности животных гельминтами наша страна ежегодно недополучает не менее 10% продукции животноводства и, в первую очередь, молока и мяса. Снизить степень пораженности животных гельминтами и болезнетворными бактериями можно лишь при внедрении в практику мер, профилактирующих возможность заражения.

Обычно гельминтами животные заражаются, заглатывая с кормом или водой их яйца-личинки, которые попадают во внешнюю среду с калом животных. Вот почему уничтожение их в навозе перед использованием его в качестве удобрения, особенно на пастбищах и полях, предназначенных под кормовые культуры, имеет большое профилактическое значение.

Методы дегельминтизации "твердого" подстилочного навоза разработаны еще в тридцатых годах нашего столетия. Яйца и личинки гельминтов не переносят температуру свыше 40, и в течение примерно минуты погибают при температуре 60. Вот почему был предложен метод биометрической дегельминтизации навоза, учитывающий способность "твердого" навоза домашних животных к самонагреванию.

В последние годы, в связи с получением в хозяйствах не только "твердого", но и жидкого навоза, вопрос о его дегельминтизации возник вновь и только начинает изучаться. Разбавление навоза водой перед хранением или во время хранения в соотношении 1:10 увеличивает период выживаемости патогенных бактерий более чем в три раза.

Длительные периоды выживаемости микрофлоры в жидком навозе, зараженном возбудителями заболеваний, указывают на то, что даже после длительного хранения сохраняется потенциальная опасность инфекции. Масштаб ее зависит, в первую очередь, от санитарного состояния поголовья, быстроты установления пораженности скота какой-либо инфекционной болезнью, оперативности и действенности противоэпизоотических мероприятий.

Применяемые методы обеззараживания навоза не должны снижать качества навоза как удобрения и отрицательно влиять на плодородие и биологические процессы в почве.

Анализ существующих технологий обеззараживания жидкого навоза.

Для обеззараживания жидкого навоза используют химический, термический, биологический и механический способы обработки.

1) Химический способ. Химические вещества целесообразно применять для изменения рН среды жидкой фракции навоза, а также в борьбе с запахом. Например, при аэробной обработке навозной массы, по данным исследований, проведенных в Швейцарии, в нее достаточно добавить сульфат аммония в концентрации 14 кг/м³ для нейтрализации сероводорода и ппочти всех производных азота. Сульфат аммония можно засыпать и в навозожижесборнники, расположенные в животноводческих зданиях.

2) Термический способ. Используют против возбудителей заболеваний и их спор. Однако, широкое распространение они могут получить тогда, когда будут созданы экономичные тепловые условия.

3) Биологический способ. Наиболее совершенный способ обработки жидкого навоза. При этом возможны два варианта - анаэробная и аэробная обработки. При аэробной обработке выделяется меньше зловонных газов, чем при анаэробной. Однако в первом случае для окисления навоза требуются большие площади (1 га на 200 коров). Чтобы избежать этого, используют различные механические системы для введения кислорода - аэробные ямы, лагуны, окислительные каналы, бункера с аэрацией под давлением и т.д.

При выборе технологии обработки и соответствующего оборудования важно знать состав экскрементов и их основные характеристики: потребность в кислороде, количество твердых и летучих веществ, запах и др.

3.2 Технология утилизации навоза

Учитывая приведенные выше условия и то, что обеззараживание жидкого навоза должно быть простым и не требовать больших материальных затрат, принимаем биологический способ сбраживания навоза в анаэробных условиях.

Растения, идущие на корм животным, используются последними лишь на 30-40%, остальная же часть органического вещества идет в навоз. Навоз, навозная жижа и растительные отходы, внесенные в почву под воздействием солнца, воздуха и воды, разлагаются в аэробных условиях и отдают в атмосферу до 350 тысяч ккал тепла на 1 т свежего навоза.

Одним из эффективных способов сокращений указанных потерь является метановое сбраживание навоза и растительных отходов в биологических гумусно-газовых установках.

Важным свойством метанового сбраживания является обеззараживание навоза от ряда болезнетворных бактерий, гельминтов и семян сорных трав. Благодаря этому сбраженный навоз можно вносить под все культуры. Установлено также, что мухи в сбраженном навозе не размножаются, отложенные в нем личинки погибают.

По данным бывшего запорожского филиала ВИЭСХ, десятидневное метановое сбраживание навоза в бродидьных камерах биогазовой установки обеспечивает полное обеззараживание навоза от яиц и личинок ряда гельминтов - аскарид, трихоцефалят, дикройцелей и стронголят. Все эти факты свидетельствуют о том, что метановое сбраживание навоза является важной санитарной мерой против значительной части заболеваний животных.

Анаэробное метановое сбраживание навоза и растительных отходов в биогазовых установках обогащает их бактериями метанового брожения, повышает удобрительные качества за счет сохранения азота и перевода значительной части его в легкоусвояемую растениями минеральную форму. Распад органических веществ сопровождается частичным окислением углерода в углекислоту и образованием метана с незначительным выделением тепла. Из каждой тонны навоза выделяется в среднем 50 м³ биогаза.

В среднем 1 кг органического вещества, биологически разложимого на 70%, производит 0,18 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.

Поскольку разложение органических отходов за счет деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Исследования показывают, что для нормального процесса метанового сбраживания навоза и растительных отходов необходимо обеспечить следующие условия: защита бродильных камер от проникновения воздуха и света; слабощелочная реакция среды (рН в пределах 7 - 7,8), содержание летучих жирных кислот не более 2 000 мг/л.

Оптимальными температурами для размножения метановых бактерий являются 30 - 34 (мезофильное брожение) и 50 - 55 (термофильное брожение). При термофильном брожении биохимические процессы протекают более интенсивно, однако при этом затрачивается больше тепла. Вот почему более экономичным считается мезофильное брожение.

Расчет процесса метанового сбраживания проводим в такой последовательности: Объем навозоприемника:

V_n= a_сутt₀k_B'

_n

где a_сут - суточный выход навоза (влажность 92%) - 22 741,6 кг.

_n - плотность навоза, кг/м³ (_n= 1020 кг/м³);

t_n - время накопления навоза, сут;

k_B - коэффициент, учитывающий изменение плотности навоза, в зависимости от исходной влажности (k_B = 1,5).

V_n=

Принимаем объем навозоприемника равным 70 м³.

Объем емкости для нагрева:

V₀=

где t₀ - время нагрева, сут;

k'_B - коэффициент, учитывающий изменение объема, в зависимости от температуры нагрева.

V₀=

Принимаем объем емкости для нагрева равным 30 м³.

Объем менантенка:

V_м =

где q - суточная доза загрузки менантенка, %.

V_м =

Принимаем объемы двух менантенков равными V_1м = 225 м³ и V_2м = 225 м³.

Продолжительность сбраживания:

t_сб = 100/q', сут, …. ,

где q' - выход биогаза, приходящийся на 1т переработанного навоза, м³.

t_сб = 100/20 = 5 сут.

Суточный выход биогаза:

G_б = Q_сутq', м³,…. .

G_б = 22 741,6 20 = 440 м³ биогаза.

Объем газгольдера:

V_Г =

где t_н.б. = время накопления биогаза за сутки, г.

V_Г =

Принимаем объем газгольдера равным 220 м³.

Общая тепловая энергия получаемого биогаза:

Q_общ = G_бС_б, МДж,

где С_б = 24 МДж/м³ - теплотворная способность бигаза.

Q_общ = 24440 = 10 560 МДж.

Расход теплоты на нагрев исходного навоза с t₁ = 8С до t₂ = 35С (мезофильный режим).

Q_м.р. =

где С_н - теплоемкость навоза (С_н = 4,06 кДж/(кгС));

= КПД нагревательного устройства (=0,7).

Q_м.р. =

Расход теплоты на собственные нужды:

Q_с.н. = Q_м.р. + Q_к.т. , МДж,……,

где Q_к.т. - расход теплоты на компенсацию теплопотерь.

Q_с.н. = 3 561,3 + 200 = 3 761,3 МДж.

Общее количество биогаза, идущего на собственные нужды:

G_б.н. = Q_с.н./С_б , м³, ………,

G_б.н. =

Выход товарного биогаза:

G_б.т. =G_б - G_б.н. , м³, ….

G_б.т. = 440 - 156,7 = 283,3 м³.

Коэффициент расхода биогаза на собственные нужды:

_б =

_б = 156,7440 = 0,35.

Тепловая мощность котла КГ-1500:

W_к = 1500С_б/G_б , МДж, …….115,

где С_б = 24 МДж/м³. - теплотворная способность биогаза.

W_к =

Продолжительность работы котла - парообразователя для собственных нужд установки:

t_р =

для обеспечения биогазовой установки теплотой необходимо два котла - парообразователя КГ-1500.

Один килограмм твердых отходов может дать 0,25 м³ биогаза. По теплотворной способности 1 м³ газа соответствует 0,6 л жидкого топлива. В сутки для 100 коров на подогрев воды расходуется 5….6 м³ газа. Один Квтч электроэнергии соответствует расходу 0,7…..0,8 м³ газа. Одна тонна сброженного навоза увеличивает урожайность на 10 - 15% по сравнению с использованием буртового навоза.

Технологическая схема биогазовой установки.

Совершенными и экономичными признаны установки непрерывного действия, обеспечивающие равномерный выход биогаза и навоза.

Установка состоит из навозоприемника 2 (см. рис. ) полезной емкостью 70 м³, двух бродильных камер 13 и 18 (V_1м =V_2м = 225 м³), мерного резервуара 6 (V = 12 м³); насосных № 1 и № 2 с фекальными насосами; системы ттнг с арматурой, газгольдера 9 емкостью 220 м³.

Процесс сбраживания - мезофильный подогревом до 32 - 34с, заполнение камер - непрерывное с ежесуточной подачей сырого навоза в количестве 5% от объема заполнения камер, т.е. длительность брожения составляет 20 - 21 день.

Постоянная температура брожения поддерживается впуском пара в камеры брожения.

Установка работает по следующей технологической схеме: навозная масса из коровника по закрытым каналам самосплавом подается в навозоприемник, где он смешивается с жижей и фекальным насосом перекачивается в мерный резервуар. Отсюда масса идет в распределительный бак сырого навоза, установленный на втором этаже насосной. Из него самотеком поступает в бродильные камеры 13 и 18.

Сброженная масса самотеком поступает в открытое навозохранилище. Из навозохранилища готовый жидкий навоз вывозят на поля жижерасбрасываетелями. Полученный в результате брожения газ собирается в верхней части бродильных камер и по ттнгопроводу поступает в газгольдер, проходя по пути через бак мокрой сероочистки (для освобождения от сероводорода). Давление в газгольдере - 300 - 400 мм вод. ст. из газгольдера газ, по мере надобности, подается потребителям.

3.3 Конструкционный расчет менантенка

Самым важным элементом биогазовой установки является менантенк. От его конструкции зависит производительность и экономическая эффективность всей установки.

Анализ форм менантенков.

А) Овальная. Достоинства: наилучшие условия для перемешивания и отвода осадков, разрушения плавающей корки.

Недостатки: высокая стоимость изготовления.

Б) Цилиндрическо-коническая. Достоинства: обеспечивает удаление сверху корки, снизу - отстоявшегося субстрата (шлама)

Материалы: сталь, пластмасса, бетон.

В) Цилиндрическая. Достоинства: простая технологичность изготовления.

Недостатки: условия для перемешивания тока жидкости менее благоприятно, требуют значительных удельных затрат энергии.

Г) Наклонно-горизонтальное расположение цилиндрического менантенка.

Достоинства: наклонное расположение облегчает стекание шлама к выгрузному отверстию, лучше заполнение, перемешивание.

Недостатки: подземное расположение камеры сбраживания ухудшает теплотехнические показатели.

Материалы: листовая сталь.

Д) Горизонтальное расположение цилиндрического менантенка. Достоинства: позволяет сбраживать большое количество субстрата, экономия затрат, удобство разрушения корки.

Недостатки: процесс брожения протекает стихийно, бесконтрольно, значительная продолжительность сбраживания.

Принимаем для проекта цилиндрическо-коническую форму менантенка.

Габаритные размеры реактора определяем, исходя из его емкости.

Для теплоизоляции применяем маты из стеклянного штапельного волокна.

Материалом для изготовления основного корпуса - листовая сталь.

И, в заключение, отмечу:

Учитывая перспективность анаэробной обработки отходов животноводства, во Всесоюзном Научно-Исследовательском Конструкторском и Проектно-технологическом Институте Органических Удобрений и Торфа (ВНИПТИОУ) в 1985 - 1988 гг. изучали влияние различных условий ферментации на свойства навоза КРС, а также эффективность применения сброженного навоза в качестве органического удобрения.

Выводы:

В результате анаэробной переработки общее содержание основных биогенных и гумусообразующих веществ в навозе КРС не претерпевало заметных изменений. В месте с тем метангенерация сопровождалась специфическими изменениями в содержании аммонийного азота, углерода, сухого органического вещества, аминокислот и жирных летучих кислот.

Анаэробная переработка бесподстилочного навоза обеспечивала эффективное обеззараживание его от семян сорных растений, яиц гельминтов.

В процессе метановой ферментации отмечалось улучшение реологических свойств сброженного навоза: снижалось общее содержание взвешенных частиц, количество частиц крупного размера, уменьшалась плотность навоза.

Влияние сброженного бесподстилочного навоза КРС на урожай и качество сельскохозяйственных культур не уступало действию исходного бесподстилочного навоза.

Меры безопасности при изготовлении и монтаже менантенка биогазовой установки.

а) При механической обработке резанием и шлифованием электроинструмента.

Вид опасности: опасность электротравмы; травмирование срезанным металлом (стружкой); высокое содержание абразивной пыли в воздухе (при шлифовке); возможность электротравмы, ожога.

Меры безопасности: металлический корпус электроинструмента необходимо заземлить; работать с электроинструментом в диэлектрических калошах и перчатках; работать с применением средств индивидуальной защиты (очки, головной убор, респиратор); не проверять шероховатость обрабатываемой детали на ощупь; стружку и абразивную пыль сметать щеткой.

б) При сварке.

Вид опасности: загрязнение воздушной среды рабочей зоны сварочным аэрозолем; возможность получения электротравмы, ожога, пореза.

Меры безопасности: все соединения ацетиленовых генераторов, ттнгопроводов, рукавов и т.п. должны быть герметизированы; сварщик и подручные должны быть обеспечены индивидуальными средствами защиты: маской со светофильтром, брезентовой защитной спецодеждой и обувью; рабочее место должно быть оборудовано дежурными диэлектрическими сапогами, ковриком, перчатками.

в) При покраске:

Вид опасности: сильное загрязнение воздуха ядовитыми парами и газами (аэрозолем и парами растворителей). Опасность возникновения пожара.

Меры безопасности: нужно работать в спецодежде (рукавицах, респираторе и очках); участники производства окрасочных работ должны быть обеспечены средствами пожаротушения.

г) При монтаже с использованием подъемно-транспортного оборудования.

Вид опасности: травмирование сорвавшейся деталью, травмирование перетертыми жилами стропы.

Меры безопасности: работать с применением средств индивидуальной защиты (каски, страховочного троса); назначить ответственного по производству работ; крановщики и стропальщики должны иметь соответствующий допуск на производство работ, подъемно-транспортные машины должны быть освидетельствованы.

Условия эксплуатации биогазовой установки.

Для биогазовой установки влажность загружаемой массы должна быть в пределах 88 - 95%; длительность сбраживания 20 - 22 дня; ежесуточно камеры загружаются сырым навозом в количестве 5% от их объема.

При пуске установки в работу вначале загружается одна бродильная камера. Для ускорения процесса сбраживания загрузку производить небольшими порциями.

Чтобы избежать забивания ттнгопровода, по которому масса выпускается из камеры сбраживания, нужно не реже одного раза в год очищать дно камер от осадка с помощью специальных механизмов.

Меры безопасности при эксплуатации биогазовой установки (БГУ).

Правила составлены для рабочих, выполняющих производственные задания по обслуживанию БГУ во время работы, а также устанавливают основные требования по техническому обслуживанию БГУ.

Общие требования безопасности:

К обслуживанию БГУ допускаются лица не моложе 18 лет, только после прохождения инструктажа по охране труда на рабочих местах. Запись о проведении инструктажа производится в журнал с обязательной подписью проинстурктированных рабочих и лица, проводившего инструктаж.

Инструктаж по охране труда с обслуживающим персоналом должен проводиться каждый день перед заступлением смены на работу. Лица, выполняющие работы по обслуживанию БГУ, проходят медицинское освидетельствование не реже 1 раза в 6 месяцев. Беременные и кормящие женщины к работе по обслуживанию БГУ не допускаются.

При работе с БГУ необходимо помнить о взрывоопасности метана и строго следить за герметичностью газгольдера и его коммуникации. При обнаружении утечки газа работу нужно прекратить, устранять дефект должны только специалисты, хорошо знающие правила обращения со взрывоопасными веществами.

Осмотр пустых цистерн и резервуаров БГУ производится не менее чем двумя специалистами, знающими меры безопасности и обеспеченными шланговыми противогазами, резиновыми перчатками и страхующими веревками. После работы необходимо проветрить спецодежду в специально отведенном для этого помещения.

При работе по обслуживанию БГУ возможно возникновение следующих опасных и вредных производственных факторов: высокое напряжение питания электроустановок, выделение токсичных газов, повышенный уровень шума, вибрации, повышенное давление газа, открытое пламя.

Для устранения и доведения опасных и вредных производственных факторов до безопасных величин при эксплуатации БГУ должны быть предусмотрены следующие средства защиты: зануление и автоматическое отключение электроустановок, применение средств индивидуальной защиты, применение шумоподавительных наушников, средства пожарной защиты.

При возникновении пожара необходимо срочно прекратить работу и сообщить в пожарную охрану.

При несчастном случае рабочие должны уметь оказать пострадавшему первую медицинскую помощь.

Обслуживающий персонал несет ответственность за нарушение правил охраны труда.

Требования безопасности перед началом работы.

Проверить наличие и исправность всех предусмотренных средств защиты и пожаротушения.

Проверить, свободен ли доступ к общему тнгильнику электропитания установки и выключателя электроустановок на рабочих местах.

Необходимо убедиться в герметичности рабочих емкостей БГУ и коммуникаций, в отсутствии искрения в электропроводке.

Необходимо обслуживающему персоналу соблюдать личную гигиену: носить чистую спецодежду, чаще мыть руки с мылом. После работы необходимо принять теплый душ.

При минусовых и повышенных температурах необходимо использовать соответствующую спецодежду.

Требования безопасности во время работы.

При обслуживании БГУ необходимо выполнить только те работы, которые непосредственно связаны с выполнением производственного задания.

При подаче исходного материала (сырого навоза) необходимо строго следить за уровнем массы в метантенке.

При работе БГУ строго следить за давлением газа в газгольдере. При резком повышении давления в метантенке, газгольдере необходимо газ стравить до рабочего давления.

Во избежании создания пожароопасной ситуации пользоваться открытым огнем в зоне эксплуатации БГУ запрещается.

Курить необходимо в специально отведенных местах.

Требования безопасности в аварийных ситуациях.

При попадании напряжения на корпус электроустановки - немедленно ее отключить! Сообщить об этом старшему смены.

При несчастном случае (электрическая травма, ушиб, порез, ожог и т.п.) оказать пострадавшему первую медицинскую помощь.

Требования безопасности по окончании работы.

Выключить электропитание оборудования установки.

Проверить герметичность емкостей и коммуникации БГУ.

Сообщить старшему смены о всех нарушениях и неполадках, выявленных в процессе обслуживания БГУ.

Спецодежду проветрить в специально отведенном для этого помещении и сдать старшему смены.

Заключение

Наиболее опасными объектами сельскохозяйственного производства, оказывающими негативное воздействие на основные компоненты окружающей среды, являются животноводческие фермы и комплексы вследствие сильного разбавления водой (до 3 раз) экскрементов животных, отсутствия операций подготовки навоза (обеззараживание и уничтожение семян сорных растений и неприятного запаха), низкой степени использования навоза как удобрения (не превышающая 30% от выхода навоза), утечки навоза из навозохранилищ из-за недостатка их объемов, больших потерь питательных веществ (до 50%) при движении его от фермы до поля, круглогодичного вывоза жидкого навоза на поля, отсутствия очистки сточных и ливневых вод.

Основой методики автоматизированного формирования машинных технологий переработки навоза является экономико-математическая модель технологического процесса переработки навоза с нахождением рациональных вариантов технологий с помощью метода Парето по одному или по нескольким критериям одновременно с учетом экспертной оценки специалиста.

Разработанный алгоритм формирования машинных технологий переработки навоза включает в себя последовательно осуществляемые шаги - обследование хозяйства, сбор исходных данных; определение перечня предпочтительных технологий переработки и использования навоза; определение последовательности технологических операций и состава технических средств на основе баз данных; принятие решения о возможности проектирования машинной технологии для условий данного хозяйства с участием квалифицированного специалиста.

Основными критериями оценки и выбора технологий являются технико-экономические, энергетические и экологические показатели: приведенные и энергетические затраты, степень использования питательных веществ растениями и степень повышения плодородия почвы.

Сравнительная оценка, проведенная на основании разработанной модели, реализованной в виде компьютерной программы, выявила наиболее эффективную технологию утилизации навоза КРС: компостирование на прифермских площадках в смеси с измельченной соломой, транспортировка на поля с укладкой в бурты, погрузка и внесение.

Реализация спроектированной при помощи программы технологии для конкретной фермы КРС на 400 голов обеспечивает снижение эксплуатационных затрат на производство 1 т органического удобрения в 1,35 раза, приведенных затрат в 1,85 раза, затрат труда в 1,4 раза, затрат на доведение питательных веществ до растений в 2,8 раза, на 34% повышает сохранность питательных веществ, позволяет получить в 1,5 раза больший экологический эффект за счет повышения плодородия почвы по сравнению с используемой в хозяйстве технологией.

Список использованной литературы

1. Виноходова А.Ф. Организация и эффективность производства продукции скотоводства в условиях различных форм хозяйствования. - М.: Колос, 1994.

2. Гасанова А.Т. Резервы увеличения производства мяса и мясоперерабатывающих продуктов. - М.: Агропромиздат, 1994.

3. Евлоев Я. Эффективность современных форм организации сельскохозяйственного производства// Международный сельскохозяйственный журнал, 2003, № 3.

4. Егоров М. Основа эффективного животноводства - племенная работа// АПК: экономика, управление, 2000, №10.

5. Кибкало Л.В., Галкина Л.С., Анненикова Н.Е. Пути повышения мясной продуктивности// Молочное и мясное скотоводство, 1999, №5.

6. Летунов И., Смиронова М. Повышения эффективности и конкурентноспособности производства мяча крупного рогатого скота// АПК: экономика, управление, 2005, №8.

7. Брюханов А.Ю. Методы расчета вредных выбросов животноводческих ферм. // Сельский механизатор, 2008, №7.

8. Афанасьев В.Н., д. т. н. Афанасьев А.В., к.т.н., Брюханов А.Ю. Обоснование метода подготовки свиного навоза для использования в качестве органического удобрения. Сб. Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышлен-ного животноводства. Владимир, ВНИПТИОУ, 2006.

9. Брюханов А.Ю. Методологические подходы и основные принципы оценки экологического ущерба.// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Сб. Науч. тр. - Вып. 78. - СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2006. - с. 13-18.

10. Афанасьев В.Н., Брюханов А.Ю. Методы подготовки навоза крупных свинокомплексов. Сб. «Ускоренное развитие животноводства», Том 16, часть 3. ВНИИМЖ, 2006.

11. Брюханов А.Ю. Методика определения воздействия выбросов животноводческих комплексов на атмосферный воздух.// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Сб. Науч. тр. - Вып. 79. - СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2007. - с. 85-88.

12. Брюханов А.Ю. Методика автоматизированного проектирования технологий и выбора технических средств утилизации навоза и помета.// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Сб. Науч. тр. - Вып. 78. - СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2008. - с. 152-159.

Размещено на Allbest.ru