ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ БИОГАЗА ИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени ШАКАРИМА города СЕМЕЙ

Инженерно-технологический факультет

Кафедра «Техническая физика и теплоэнергетика»

Магистерская диссертация

по специальности 6М072300 – «Техническая физика»

ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ПРИ ПОЛУЧЕНИИ БИОГАЗА ИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Исполнитель_______________________ А.Т. Жумагажинов

(подпись, дата)

Научный руководитель _______________ М.В. Ермоленко

(подпись, дата)

Допущена к защите:_________________

(дата)

Зав. кафедрой___________________ О.А. Степанова

(подпись, дата)

Семей – 2014 г.

РЕФЕРАТ

Диссертация изложена на 65 стр. машинописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Содержит 7 таблиц и 22 рисунка. Список использованной литературы включает в себя 110 наименований, из них 38 на иностранном языке и 2 приложений.

Ключевые слова: технология, органический субстрат, метанообразующие бактерии, биогаз, метан, биореактор, ультразвук, частота, отходы, способ, установка.

Работа посвящена разработке способа повышения выхода биогаза за счет активации анаэробных микроорганизмов при воздействии ультразвука на водный органический субстрат и экспериментальному обоснованию предлагаемого процесса.

Объект исследования - технологический процесс анаэробной
переработки органических отходов, исследуемым элементом которого является биореактор с ультразвуковым воздействием, а так же исходный субстрат для анаэробной переработки.

В диссертации проведен анализ способов анаэробного сбраживания органических отходов и особенностей конструкций существующих биогазовых установок, на основании которого был сделан вывод о малой эффективности известных технологических процессов. В силу этого обстоятельства, представляют значительный интерес исследования влиянии ультразвуковой обработки на органический субстрат с целью увеличения выхода биогаза.

Экспериментально подтверждена зависимость выхода биогаза от энергии ультразвука.

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.. 4

ВВЕДЕНИЕ. 5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 9

1.1 Основные факторы, влияющие на процесс и продукты анаэробной переработки органических отходов. 9

1.2 Анализ технологических и технических решений для получения биогаза. 15

1.3 Ультразвуковая обработка сырья. 23

1.3.1 Факторы, влияющие на эффект ультразвуковой кавитации. 23

1.3.2 Физико-химическое действие ультразвука на биомакромолекулы.. 25

1.4. Влияние ультразвука на микроорганизмы.. 26

1.4.1. Разрушающее действие ультразвука. 26

1.4.2. Интенсификация жизнедеятельности микроорганизмов. 30

1.5 Зарубежный опыт обработки органических отходов ультразвуком. 33

Выводы.. 35

Постановка вопроса, цель и задачи исследований. 35

2 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 37

2.1 Этапа проведения эксперементов. 37

2.2 Экспериментальная установка. 38

2.3 Методика потенциометрии для определения рН.. 41

2.4 Математическая обработка результатов экспериментальных исследований. 42

2.5 Разработка погружного ультразвукового излучателя для обработки биогаза 45

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 51

3.1 Определение рН водного органического субстрата. 51

3.2 Результаты исследовании протекания биохимических процессов при сбраживании 52

Выводы.. 57

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 58

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 59

ПРИЛОЖЕНИЯ.. 66

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

с – скорость звука, м/с;

– скорость звука для продольных волн, м/c;

– скорость звука для поперечных волн, м/с;

E – модуль упругости, Па;

f – частота, Гц;

G – модуль сдвига, Па;

T – период, с;

р — амплитуда звукового давления, Па;

l – длина волны, м;

m – коэффициент Пуассона;

r – плотность, кг/м³;

v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c;

КРС – крупный рогатый скот;

МПА- мясо-пептонный агар;

МНК- методу наименьших квадратов;

УЗК - ультразвук;

ХПК- химическое потребление кислорода.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мира на выработку электрической энергии и тепла низкого и среднего потенциала затрачивается основная часть добываемых топливно-энергетических ресурсов.

Анализ перспектив развития топливно-энергетического комплекса показывает, что покрытие тепловых нагрузок будет обеспечиваться за счет сжигания органического топлива.

Отрицательные тенденции развития традиционной энергетики обусловлены в основном наличием двух факторов - быстрым истощением природных ресурсов и загрязнением окружающей среды. По данным ООН, истощение залежей угля предполагается в 2082—2500 гг. [1].

Перспективные технологии традиционной энергетики повышают эффективность использования энергоносителей, но не улучшают экологическую ситуацию: тепловое, химическое и радиоактивное загрязнение окружающей среды может привести к катастрофическим последствиям.

В связи с этим возникает необходимость выявления возможностей рационального использования ресурсов традиционной энергетики с одной стороны и развитие научно-технических работ по использованию нетрадиционных и возобновляемых источников энергии — с другой [1].

Обострение экологических проблем, истощение запасов невозобновляемых энергоресурсов, рост цен на них, обусловили глобальный интерес к разработке и использованию технологии биоконверсии органических отходов для получения энергии.

В соответствии с научно-техническими прогнозами на перспективу конверсия биомассы является наиболее распространенным энергетическим ресурсом среди возобновляемых источников энергии.

Известно, что животные плохо усваивают энергию растительных кормов и более половины ее уходит в навоз, который является ценным органическим удобрением и может быть при этом использован в качестве возобновляемого источника энергии. Концентрация животных на крупных фермах и комплексах обусловили увеличение объемов навоза и навозных стоков, которые должны утилизироваться, не загрязняя окружающую среду[2].

Одним из путей рациональной утилизации органических отходов перерабатывающих и аграрного производства является его анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезвреживание отходов и сохранение его как обеззараженного высококачественного органического удобрения при одновременном получении биогаза, содержащего около 70% метана. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных бактерий и метанобразующих превращаются в газообразные продукты.[3]

Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях [1].

Биогаз — это смесь газов, в основном метана и углекислого газа, образующаяся в анаэробных реакторах, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, достигает до 60% той, которой обладает исходный материал. Другое, и очень важное, достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале [1].

Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов.

Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла.

Основные положения получения биогаза были разработаны учеными: Амерханов Р.А., Андрюхин Т.Я., Гриднев П.И., Гришаев И.Д., Гюнтер Л.И., Заварзин Г.А., Ковалев А.А., Ковалев Н.Г., Лосяков В.П., Мельник Р.А., Ножевникова А.Н., Панцхава Е.С., Пузанков А.Г., Савин В.Д., Тарасов С.И., Тумченок В.И., Черепанов А.А., Шрамков В.М. и другие, а также зарубежные ученые: Баадер В., Беккер М., Бишофсбергер В., Блумберга Д., Вртовшек Я., Дихтл Н., Дубровскис В., Зейфрид К., Зупанчич Г., Крауткремер Б., Леттинга Н., Линке Б., Маслич В., Някоу С., Павличенко В.П., Розенвинкель К., Смирнов О.П., Упитс А.А., Федотов В.М., Шмак Д.

Несмотря на многолетнее применение биогазовых установок и еще более длительный период исследований протекающих в них процессов, наши представления об основных его закономерностях и механизмах отдельных стадий недостаточны, что определяет в ряде случаев низкую эффективность работы биогазовых установок, не позволяет в необходимой степени управлять их работой, приводит к неоправданному завышению строительных объемов, увеличению эксплуатационных затрат и соответственно стоимости 1 м³ получаемого биогаза. Это выдвигает задачи по разработке наиболее эффективных технологических схем биогазовых установок, состава их оборудования, созданию новых конструкций и расчета их параметров, повышения надежности их работы, снижения стоимости и сроков строительства, что является одной из актуальных проблем при решении вопроса энергообеспечения объектов перерабатывающего и сельско-хозяйственного производства.

Актуальность темы исследования. Развитие животноводства и птицеводства создали глобальную проблему утилизации большого объема органических отходов, основными источниками которых являются крупные животноводческие и птицеводческие комплексы. Органические отходы перерабатывают во всем мире, получая ценные удобрения и биогаз. Существующие технологии не исчерпывают возможный потенциал биомассы. Для увеличения выхода биогаза в установках по переработке биомассы используют различные способы.

Применение технологии анаэробной переработки в сельскохозяйственном производстве позволяет решить не только экологические проблемы, встающие перед животноводческими хозяйствами, но и увеличить рентабельность предприятия за счет получения высококачественных органических удобрений и биогаза, пригодного для получения тепла или электроэнергии. Однако, несмотря на перечисленные выше преимущества, метод анаэробной переработки еще не нашел широкого применения. Это обусловлено рядом факторов: низкой скоростью прохождения процесса метаногенерации и как следствие, высокой стоимости биогазовых комплексов. При этом низкая скорость процесса сбраживания обусловлена неоднородностью температурного поля, создающегося в биореакторе, и наличием ингибиторов среды.

Анализ современного состояния процесса получения биогаза из сельскохозяйственных и промышленных отходов и возникающие при этом проблем показывает следующие актуальные направления исследований: поиск путей интенсификации газообразования, поиск эффективных стимуляторов процесса газообразования, наиболее эффективное использование сброженного субстрата.

Целью исследования является увеличение выхода биогаза при анаэробной переработке органических отходов, путем интенсификации процесса сбраживания субстрата в биореакторе с ультразвуковым воздействием.

Научная новизна исследований:

- разработан способ увеличения выхода биогаза при анаэробной переработке органических отходов водного субстрата;

- экспериментальные зависимости процесса разложения органического субстрата под воздействием ультразвука;

- получены экспериментальные зависимости оптимального режима цикла сбраживания органических отходов.

Научная значимость тематики диссертации состоит в том, что совокупность полученных результатов способствует развитию ультразвуковых технологий, расширяет научно-практическую базу знаний в области переработки отходов.

Достоверность полученных результатов. подтверждается:

- применением современных методов экспериментальных исследований и приборов для исследования режимов работы биоэнергетических установок;

- трех-пяти кратной повторностью опытов и обработкой экспериментальных данных математическими методами с использованием прикладной программы Microsoft Excel.

- расчетом коэффициента корреляции при определении адекватности уравнений, описывающих процесс сбраживания органических отходов.

Практическая ценность работы

Разработаны способ и установка, обеспечивающих повышение выхода биогаза из водного органического субстрата и эффективную переработку органических отходов аграрного производства.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы обсуждены на: ХХ ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 27 – 28 февраля 2014 г.; ХV международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук», Москва, октябрь, 2014г.

Основные положения, выводы и рекомендации исследования изложены в научных статьях (всего по теме исследования опубликовано две статьи) и заявки о выдаче инновационного патента Республики Казахстан на изобретение (приложение Б).

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Основные факторы, влияющие на процесс и продукты анаэробной переработки органических отходов

Обязательным условием анаэробной ферментации является отсутствие кислорода. В искусственных условиях это можно осуществить лишь в герметических закрытых емкостях. Имеется также ряд других факторов, которые влияют на эффективность ферментации.

Скорость размножения и обмена веществ у анаэробных микроорганизмов зависит от температуры и продолжительности сбраживания навоза. Теоретически брожение может наступить в интервале температур от +0°С до +97°С. В этом процессе участвуют три группы бактерий, живущих в следующих интервалах температур:

- психрофильные бактерии - +20°С ÷ +25°С,

- мезофильные бактерии - +25 С ÷ +40 С,

- термофильные бактерии - +40С ÷ +70°С.

В этих интервалах температур бактерии проявляют наибольшую жизнедеятельность. Если температура падает ниже +15 °С, микробиологическая активность падает [4].

В психрофильном интервале для производства биогаза технологическое оборудование практически не применяется, так как время брожения длительное, подогрева материала не требуется, необходим большой объем бродильных камер.

Брожение в мезофильной температурной зоне чаще применяется в странах с умеренным климатом; за время брожения в течение 15÷30 дней разлагается 35÷50% органического вещества.

При брожении в термофильной зоне микробиологическая активность (за одинаковое время) на единицу массы органического вещества повышается; образование суммарного биогаза на 10÷30% выше, чем при брожении в мезофильной зоне [5].

Органические вещества разлагаются в анаэробных условиях с различной скоростью:

- простые углеводы, жиры, жирные кислоты и белки разлагаются быстро и пригодны для образования метана.

- сложные углеводы (целлюлоза и полуцеллюлоза и т.д.) разлагаются медленно; для ускорения процесса разложения материалы с такими органическими молекулами следует измельчать, дробить.

Следует обратить внимание на высокое содержание лигнина в жидком навозе КРС, который снижает скорость реакции анаэробных бактерий. Часто это является причиной того, что навоз жвачных животных дает меньше газа по сравнению с экскрементами свиней и птицы, поскольку они потребляют корма с более высоким содержанием сырой клетчатки.

При сбраживании жидкого навоза образование газа в первоначальный период резко растет, а затем постепенно снижается. Характерные для отдельных сельскохозяйственных материалов кривые выхода биогаза показаны на рис. 1. При переработке травы, благодаря высокому содержанию белка, скорость разложения высокая и выделяется больше газа чем при переработке соломы и коровьего навоза; они ферментируются медленнее и выход биогаза меньше.

Эффективность процесса сбраживания, техническое совершенство применяемого оборудования характеризуются количеством биогаза, выделяемого за сутки в расчете на 1 м³ бродильной камеры.

По литературным данным за одни сутки выделяется при мезофильном режиме 0,7÷1,5 м³, при термофильном 2÷3 м³ биогаза на 1 м³ камеры сбраживания [6].

Рис.1 Количество биогаза, образуемого при переработке различных сельскохозяйственных материалов при температуре 30 °С

Расхождения в количестве выхода биогаза имеют место по причине различия в составе сбраживаемого материала и других действующих в совокупности факторов [7]. При условии одинакового состава материала большую роль играют следующие факторы:

- время нахождения в камере сбраживания органического вещества;

- нагрузка камеры по органическому веществу;

- перемешивание сбраживаемого материала.

Для полного сбраживания органического вещества, как правило, требуется длительное время; полное сбраживание его потребовало бы больших размеров камеры и соответственно больших капитальных затрат. С другой стороны, с течением времени скорость образования биогаза снижается. Поэтому целесообразно выбрать более короткое время сбраживания ценой недополучения определенного количества газа.

Выбор продолжительности сбраживания - при присущей скорости разложения данного органического вещества - зависит от заданной степени разложения органического вещества.

Согласно литературным данным, из определенного количества органического вещества при 45-дневном сбраживании может быть получено биогаза в следующих количествах: за первые 15 дней - 40÷50% от всего количества газа (максимум приходится на 6÷9 сутки сбраживания), в период 15÷25 дней - 25%; последние 25% биогаза приходятся на оставшиеся 20 дней сбраживания (рис.2).

Снижение суточного выхода биогаза во времени объясняется тем, что легко разлагающаяся часть органического вещества в основном расходуется уже в первоначальный период времени.

На практике обработку материала обычно осуществляют в течение 15÷30 дней, за которые разлагается 35÷50% органического вещества. За это время в расчете на 1 кг органического вещества реально можно получить при мезофильном режиме 0,2÷0,35 м³ биогаза. Естественно, могут быть и другие значения, так как выход биогаза зависит от состава органического вещества. С ростом продолжительности ферментации в некоторой степени растет содержание метана в биогазе и, следовательно, повышается его теплотворная способность.

Рис. 2 Выход биогаза в зависимости от продолжительности сбраживания

Известно, что при непрерывном способе сбраживания, когда выгрузка разложившегося в реакторе органического вещества происходит одновременно с загрузкой подаваемого свежего материала, выделяется наибольшее количество биогаза.

При завышенной дозе суточной загрузки снижается образование газа, а при заниженной - снижается коэффициент использования реактора. Удельная нагрузка - это относительная величина, указывающая на суточную загрузку органического вещества в кг на 1м³ полезного объема камеры при условии получения оптимального количества биогаза. Завышенная подача свежего материала снижает получение газа на 1кг органического вещества, так как кислотообразующие бактерии становятся преобладающими. При заниженной подаче наблюдается недостаток питательных веществ для бактерий [8,9].

В литературе приводятся сведения о предельных дозах загрузки органического вещества на 1 м³ полезного объема камеры при мезофильном режиме сбраживания: нижняя доза 1,0÷1,5 кг, верхняя 4-6 кг [8,9,6].

Интенсивное и непрерывное перемешивание поступающего в камеру материала обеспечивает лучшее соприкосновение с ним бактерий. Кроме того, перемешивание способствует равномерному распределению температуры и кислотности в камере сбраживания. Интенсивное перемешивание предотвращает оседание занесенных со свежим материалом тяжелых частиц и продуктов сбраживания, а так же образование корки в верхнем слое сбраживаемой массы.

При сбраживании жидкого навоза получается биологический газ и перебродивший навоз.

Биогаз - бесцветный, легче воздуха, хорошо горит, имеет острый запах, содержит отравляющие вещества. Основные компоненты биогаза: метан и двуокись углерода. Соотношение этих компонентов зависит от состава органического вещества и от применяемого способа сбраживания. В биогазе содержится: метана 55÷70%, углекислого газа 27÷44%. Кроме того, в нем также содержится 1÷3% водорода, сероводорода, азота, угарного газа и кислорода. Состав, теплотворная способность и другие свойства биогаза показаны в таблице 1 [9].

Таблица 1

Свойства биогаза

Свойства и параметры биогаза	Компоненты				Смесь: 60% СН₄, 40% СО₂
Свойства и параметры биогаза	СН₄	CO₂	Н₂	Н₂S	Смесь: 60% СН₄, 40% СО₂
Объемное содержание, %	50-70	27-45	< 1	< 3	100
Теплотворная способность, МДж/м³	35,8	-	10,8	22,8	22
Процентное содержание биогаза при воспламенении на воздухе, %	5-14	-	4-80	4-45	6-14
Температура воспламенения, °С	650-750	-	585	-	650-750
Критическое давление, бар	47	75	13	89	75-89
Критическая температура, °С	-82,5	31,1	-	100	-82,5
Нормальная плотность, г/л	0,72	1,98	0,09	1,54	1,2
Критическая плотность, г/л	162	468	31	349	320
Плотность относительного воздуха	0,55	2,5	0,07	1,2	0,83

В ходе сбраживания из азота, фосфора, калия, а также из других питательных веществ, получающихся при разложении органического вещества, содержащегося в навозе, образуется ценное органическое удобрение. Для растений очень важно, чтобы соотношение «углерод-азот» по сравнению с исходным было значительно снижено. В перебродившем навозе в первую очередь разлагаются биологически нестабильные вещества. Поэтому навоз теряет острый неприятный запах, остается «стабильным» даже после длительного хранения. Согласованно со степенью брожения снижается ХПК [8,10,11]

Анаэробная ферментация приводит к обеззараживанию навоза, значительно снижая количество содержащихся в нем патогенных бактерий. Следует отметить, что полного обеззараживания добиться нельзя, так как при непрерывном режиме работы установки, когда осуществляется догрузка свежего материала в камеру, всегда имеется вероятность недостаточной продолжительности пребывания какой-то его доли в камере. Некоторая часть бактерий при ферментации не погибает. В целом же в перебродившем навозе количество патогенных бактерий, по сравнению со свежим, уменьшается и его использование становится менее опасным с точки зрения охраны окружающей среды [5,12,13,].

Варианты утилизации биогаза и перебродившего навоза показаны на рис. 3 [14].

Рис. 3 Схема использования биогаза и сброженного навоза

Утилизация биогаза возможна в следующих направлениях:

1) Производство тепловой энергии, являющееся одним из наиболее простых и экономичных направлений использования биогаза путем сжигания:

а) в горелках малого давления: отопление жилых домов, нагрев воды и приготовление пищи;

б) в горелках высокого давления: в больших котельных, в установках для сушки зерна, производства технологического пара.

В сельскохозяйственных предприятиях тепловая энергия в основном может использоваться для отопления животноводческих помещений.

Экономическая эффективность производства биогаза зависит от непрерывности его использования, так как хранение его в количестве, превышающем суточную норму производства, увеличивает капитальные затраты. Для равномерного его использования необходимо установить график работы потребителей. Оптимальным техническим решением является сочетание зимнего отопления и летнего снабжения энергией холодильных установок или производство тепла на спиртзаводах.

2) Производство электроэнергии, обеспечивающее равномерное использование газа при генерировании электроэнергии.

В этом случае кроме производства электроэнергии (25%) осуществляется нагрев воды (50%) за счет использования отходящего тепла [3,7,14].

При непрерывном генерировании электричества требуется меньший объем хранилищ для газа; нагретую с помощью теплообменника воду можно использовать для нагрева сбраживаемого навоза.

3) Биогаз, как топливо для трактора; в качестве тракторного топлива биогаз можно использовать в сжатом состоянии. Большие масса и объем существующих газовых баллонов, а также низкий энергетический потенциал по причине хранения газа при малом давлении делают это направление пока не экономичным [6].

4) На основе синтеза из биогаза можно получить метанол; из 1 м³ биогаза можно получать 0,8÷1,0 кг метанола. Метанол можно использовать в качестве топлива для тракторов и автомобилей. Однако вопросы экономичности использования этого направления исследованы еще недостаточно.

Утилизация перебродившего навоза. Перебродивший навоз необходимо непосредственно использовать как органическое удобрение в растениеводстве. Он также может быть переработан, например, на твердую и жидкую фракции.

Жидкая фракция может быть использована для:

- полива;

- в случае ее аэробной очистки, также в качестве технологической воды;

- в качестве питательной среды при выращивании водорослей для производства кормовых белков.

Утилизация жидкой фракции при выращивании водорослей может проводиться по комплексной технологии, когда используется также тепловая энергия биогаза и углекислый газ. Эта технологическая система использования отходов сбраживания материала, изображенная на блок-схеме (рис.4), является перспективной [14]. /•

Сущность процесса заключается в том, что жидкий навоз и стоки при анаэробном сбраживании дают биогаз, который в свою очередь дает тепловую энергию для производства кормовых дрожжей. Жидкая, фракция и отходы боен используются как питательная среда для водорослей. Естественно, осуществление этой системы возможно тогда, когда животноводческие фермы, биогазовые станции и установки для выращивания водорослей представлены в едином комплексе.

Твердую фракцию, содержащую 20÷25% сухого вещества, можно использовать в виде компоста.

Используя тепловую энергию биогаза, твердую фракцию можно сушить в барабанных сушилках. Высушенный навоз при добавке минеральных веществ и микроэлементов может быть использован и как концентрированное удобрение для растений.

Многообещающим способом утилизации перебродившего навоза является получение витамина «В».

Рис. 4 Схема комплексной утилизации отходов при их анаэробной переработке

1.2 Анализ технологических и технических решений для получения биогаза

Сбраживание жидкого навоза можно производить непрерывным, периодическим и бассейновым способами.

При непрерывном, поточном способе в камеру подается свежий навоз непрерывно, через определенные интервалы времени. Принципиальная схема способа и суточное производство газа приведены на рис.5 [3,8]. При этом способе камеры для сбраживания могут быть горизонтального и вертикального расположения.

Суточное производство биогаза равномерное. Оно зависит от частоты догрузки свежего навоза. Одновременно с догрузкой свежего навоза такое же количество перебродившего материала выгружается из камеры.

1-заполнение; 2- суточный выход газа; 3- газовая камера; 4-накопитель шлама

Рис. 5 Схема непрерывного способа сбраживания

1-заполнение; 2- суточный выход газа; 3- газовая камера.

Рис. 6. Схема периодического способа сбраживания

При периодическом способе сбраживания камера загружается, закрывается, свежий навоз смешивается с остатками перебродившего материала. Образование газа начинается практически по истечении 5÷10 дней и по достижении максимума постепенно падает до минимума. Затем материал выгружается из камеры, и она снова загружается. Этот способ трудоемкий, выделение газа неравномерное. Для обеспечения равномерности получения биогаза необходимо соединять в единый блок две или несколько камер (рис. 6) с попеременной их работой. По меньшей мере требуется две, лучше одинаковые по величине и исполнению, камеры [3,6,9,14].

Такой способ показан на рис. 6 из камеры 1 по истечении времени сбраживания 95% перебродившего навоза выгружается, а затем в нее снова загружается свежий навоз; в это время в камере 2, загруженной раньше, ферментация достигает максимума. Затем камера 2 выгружается, а в камере I производство газа достигает максимума. При периодическом способе полезный объем камер используется менее эффективно, чем при непрерывном способе; требуются большие хранилища для газа, так как их объем должен определяться с учетом хранения резерва газа, необходимого для заполнения им камеры после выгрузки. Этот способ может использоваться в основном для обработки сточного ила предприятий или при сбраживании твердых органических материалов, например, подстилочного навоза.

При бассейновом способе камера и хранилище представляют единое целое (рис. 7) [3,8,15]. Хранилище для навоза выполняет роль камеры сбраживания и одновременно служит для хранения перебродившего ила, пока его не выгрузят. При новом цикле работы максимум производства биогаза достигается после значительного интервала времени. Этот способ редко используется, в основном при обработке сточного ила предприятий.

Основными узлами оборудования для производства биогаза являются: камера сбраживания, отопительное и смесительное устройства, установленные в камере, и газгольдер.

1-заполнение; 2- суточный выход газа;

Рис. 7. Схема бассейного способа сбраживания

Камеры сбраживания. Главным требованием к камерам сбраживания является полная герметичность и достаточная прочность.

Также важна теплоизоляция и антикоррозийная защита. Объем, форма и материал для изготовления камер выбираются в соответствии с возможностями и целями хозяйства. Применяемые формы камер показаны на рис. 8 [6,8,16].

Камеры с овальным сечением (рис. 8.а) обеспечивают наилучшие условия для тока жидкости и смешиваний. Крупные камеры сооружаются только из железобетона. Более мелкие - из полиэстера со стекловолокном.

Цилиндрические камеры с плоскими низом и верхом, по сравнению с предыдущий типом, имеют менее благоприятные условия для тока жидкости, а смешивание требует больших удельных затрат энергии (рис. 8.б). Преимущества этой формы камер заключаются в их изготовлении; для этой цели используются сталь и монолитные железобетонные плиты сельскохозяйственного назначения. Если в цилиндрическую камеру (частично помещенную в землю) установить внутреннюю стенку, то получится двухполостная камера. С применением таких камер процесс сбраживания жидкого навоза протекает с большей эффективностью. Принципиальная схема двойной камеры сбраживания показана на рис. 1.10 [8].

Цилиндрические камеры с коническими нижней и верхней частями также обеспечивают удаление поверхностной корки и отстоявшегося внизу ила (рис. 8.в). Такие камеры больших размеров изготовляются из железобетона и используются в основном для обработки срочного ила. Камеры малых размеров изготовляются из стального листа или пластмассы.

Горизонтальная камера (рис. 1.9.г) изготовляется из листовой стали. Наклонное расположение способствует лучшему заполнению, выгрузке навоза и смешиванию.

а-овальная; б- цилиндрическая; в- цилиндрически-коническая; г- наклонно-горизонтальная

Рис. 8 Формы камер сбраживания

Технические решения для подогрева. В ходе сбраживания для обеспечения температурных режимов «мезофил» или «термофил» сбраживаемый навоз необходимо подогревать. Потребляемая тепловая энергия расходуется на подогрев навоза до режимной температуры и на компенсацию потерь тепла. Потребность в теплоте составляет до 30% тепловой энергии выделяемого биогаза в зависимости от теплоизоляции камер и трубопроводов. Поэтому целесообразно применение теплообменников, которые способствовали бы отбору тепла от удаляемого перебродившего материала с целью использования его для подогрева жидкого навоза.

А — главная бродильная камера; Б-камера для окончательного сбраживания и осаждения шлама; В—накопитель шлама; Г — пространство для накопления газа;

1 — подача жидкого навоза; 2 — отвод крупнодисперсного шлама; 3—отвод мелкодисперсного шлама; 4 — отбор газа; 5 — перемешивающее устройство, работающее на сжатом газе; 6 — насос.

Рис. 9 Двухкамерная бродильная установка, работающая по проточному принципу

Подогрев жидкого навоза можно проводить в камере или при его загрузке. Наиболее характерные технические решения подогрева показаны на рис. 10 [3,17]. Основное требование к системам подогрева заключается в обеспечении вблизи трубопроводов повышенной скорости движения жидкого навоза, а температура воды-теплоносителя не превышала 60 °С; это необходимо для облегчения чистки трубопроводов.

При малой скорости движения жидкого навоза и при температуре воды в трубах выше 60 °С твердые частицы прилипают к трубопроводам системы подогрева и эффективность подогревания снижается.

Оборудование для подогрева, установленное в камере, целесообразно размещать там, где расположено механическое устройство для перемешивания. Элементы подогрева могут быть установлены в стенке камеры (рис. 10.а), внизу камеры (рис. 10.б), в цилиндрической рубашке шнека смесителя (рис. 10.г), а также по периметру рубашки камеры в форме змеевика (рис. 10.д). Подогрев можно производить также с помощью впуска в камеру водяного пара (рис. 10.е). Это техническое решение применяется тогда, когда требуется разжижить основной материал и усилить перемешивание. Однако отметим, что с применением для подогрева водяного пара увеличивается содержание влаги в получаемом биогазе.

а-настенного; б- донного; в-размещенного в отопительном цилиндре; г- расположенного вне реактора; д- в виде змеевика; е- использующего пар

Рис. 10 Схемы технических решений подогрева навоза в камере сбраживания

Подогрев во время заправки можно провести также с помощью теплообменника (рис. 10.г). Преимущество этого способа заключается в том, что температура свежего, поступающего в камеру жидкого навоза, практически не отличается от находящегося в камере.

Смесители. Условием эффективной, интенсивной ферментации является постоянное перемешивание сбраживаемого навоза, равномерное распределение в нем различных по величине твердых частиц, препятствие образованию в верхней части корки, обеспечение равномерности температуры и кислотности по всему объему.

Принципиальные схемы различных технических решений для перемешивания показаны на рис. 11 [5,8].

Как уже отмечено выше, перемешивающее устройство должно обеспечивать равномерное перемешивание материала по всему объему камеры, а также такую скорость движения сбраживаемого навоза, чтобы на поверхности не образовывалась корка. Для перемешивания сбраживаемого навоза применяются как механический, так и гидравлический способы.

а)

б)

а-механические устройства; б- гидравлические и барботажные системы

Рис. 1.11 Схемы технических решений для перемешивания навоза в камере сбраживания

В случаях, когда жидкий навоз содержит 5÷10% сухого вещества, механические смесители целесообразно применять лишь в камерах малого размера (менее 100 м³), так как при больших размерах камеры непропорционально растет удельный расход энергии и снижается эффективность перемешивания. При малом содержании сухого вещества и низкой вязкости материала можно проектировать камеры больших размеров.

В камерах больших размеров жидкий навоз можно привести в движение гидравлическим способом, вращая его по кругу. Хорошая эффективность смешивания получается при выбрасывании из вращающегося сопла струи жидкости. При этом струя жидкости из сопла попадает во все части камеры. При применении сопла с фиксированным положением требуется строгое согласование формы и размеров камеры, а также направления струи жидкости [8,17,18].

При применении газа для перемешивания сбраживаемый навоз компрессором нагнетается образующийся биогаз. Этот способ используется лишь при малом содержании сухого вещества и малой вязкости материала.

Хранение биогаза. Для рационального использования биогаза требуется обеспечить резервирование хранения определенного количества его, так как производство и потребление биогаза происходит не одновременно. При равномерном потреблении биогаза необходимо обеспечить хранение газа в размере суточного количества. Характерные технические решения для хранения газа показаны на рис. 12. [6,8,17]

а- непосредственный газгольдер; б) отдельный газгольдер с малым давлением

Рис. 1.12 Варианты технических решений для хранения биогаза

Известны следующие типы хранилищ:

встроенные в корпус камеры сбраживания хранилища газа низкого давления, до 50 мбар (рис. 12.а);
установленные отдельно хранилища низкого давления "влажного” или «сухого» принципа (рис. 12.б).

«Сухие» хранилища газа могут изготовляться из непроходимых для газа прорезиненных тканей или синтетических пленок в различных исполнениях. Один из вариантов таких хранилищ может изготовляться в форме мешка. Затраты на его изготовление на 20÷23% ниже, чем у хранилищ изготовленных из стального листа.

В хранилищах среднего (2-20 бар) и высокого (200 бар) давления газ можно хранить и в сжатом состоянии (рис. 1.12.в). В первом случае первоначальный объем газа может сократиться до 7 %, а во втором - до 0,5 %. Так, например, в баллоне емкостью 50 л (масса которого 50 кг) можно хранить 10 м³ газа, что равняется 5÷6 кг условного топлива. Из-за большой массы баллонов и малой энергии, содержащейся в газе, сжатие газа для хранения с экономической точки зрения пока еще не эффективно.

Сжижение биогаза технически разрешимо, но малый объем производимого в сельскохозяйственных предприятиях биогаза, высокие капиталовложения и технические требования пока также не позволяют использовать этот способ.

1.3 Ультразвуковая обработка сырья

1.3.1 Факторы, влияющие на эффект ультразвуковой кавитации

Ультразвуковая обработка органических отходов относится к способам электрофизической обработки сырья. Для выявления путей использования ультразвукового воздействия на сырье в сельском хозяйстве необходимо рассмотреть механизм действия ультразвука и его влияние на основные физико-химические процессы.

Многочисленными опытами установлено, что действие ультразвуковых колебаний проявляется в том случае, когда наблюдается эффект кавитации. Распространение акустических колебаний осуществляется путем периодического сжатия и разряжения среды. Распространяясь в жидкой среде, акустические волны вызывают появление переменного звукового давления. При понижении давления до величины, превышающей порог прочности данной жидкости, наступает явление кавитации. Оно заключается в том, что в результате временного понижения давления в определенном объеме внутри жидкости образуется кавитационные полости, заполненные газами и парами этой жидкости. Повышение давления приводит к уменьшению полостей и полному их схлопыванию [19]. Возникающие при этом сферические волны конечной амплитуды, распространяясь в жидкости, превращаются в ударные волны с локальными импульсами давления порядка сотен атмосфер, сопровождающимися потоками с огромными градиентами скоростей. Это является причиной разрушающего действия.

Ультразвуковые процессы основаны на возникновении кавитационной эрозии, которая лежит в основе акустокапиллярного эффекта, обуславливающего высокую скорость смачивания капиллярных структур, помещенных в кавитирующую жидкость [20, 21].

Кавитация сопровождается электрическими процессами и излучениями в ультразвуковой части спектра, что является одной из причин химического действия ультразвука. Химические процессы, протекающие в поле ультразвуковых волн, многообразны. Кавитация обуславливает возникновение практически всех химических реакций, наблюдаемых в озвучиваемой среде. Это связано не только с захлопыванием образующихся кавитационных полостей, но и способностью их к резонансным периодическим пульсациям. Кавитационный пузырек под действием акустических колебаний зарождается в течение полупериода разряжения, если гидростатическое давление снижается до упругости пара, то есть жидкость окажется сильно растянутой. В следующий полупериод происходит сжатие возникшего пузырька. Если при таком сжатии не произойдет его полное захлопывание, то при определенных его размерах пузырек начинает пульсировать в такт с частотой акустических колебаний [22, 23].

Большинство исследований посвящено вопросу, какой из факторов, составляющих эффект кавитации, имеет основное влияние на течение химических реакций. Некоторые исследователи обращали внимание на повышение температуры [24,25], другие изучали влияние повышения давления [26]; изучалось влияние образования в воде положительных 1-Г и отрицательных ОН ионов [27]; многие исследователи полагали, что самым существенным является электрический разряд и связанное с ним фотохимическое разложение жидкостей на радикалы [28]. Другим объяснением происходящих при кавитации процессов является увеличение столкновений частиц при резонансе между приложенными ультразвуковыми колебаниями определенной частоты и характерной вибрирующей частотой пузырьков кавитации [29].

Рассмотрим некоторые факторы, влияющие на эффект ультразвуковой кавитации, и связанное с ней воздействие ультразвука на химические и физико-химические процессы [30].

Действие растворенного газа. В дегазированных жидкостях химические реакции под влиянием ультразвука не происходят, так как требуемые при этом звуковые давления не могут быть получены при помощи современных генераторов. Тот же эффект получается, если подвергнуть жидкость давлению до 1000 атм. мельчайшие газовые пузырьки приводятся в состояние истинного раствора, и их уже невозможно выделить из жидкости под действием ультразвука. Эти явления еще не получили достаточного объяснения, но неоспоримо, что наличие растворенной газообразной фазы в жидкости является необходимым для проявления эффекта кавитации.

Частота. При проведении физико-химических процессов под воздействием ультразвука правильный выбор частоты может играть решающую роль для достижения оптимальных результатов, в то время как на химические реакции изменение частоты колебаний влияет мало.

Интенсивность. Химические реакции в жидких средах не происходят при интенсивности ниже порога кавитации. Выше этого предела скорость реакции увеличивается более или менее пропорционально повышению ультразвуковой интенсивности. Хотя некоторые исследователи установили, что существует оптимальная интенсивность, которая совпадает с максимальным образованием пузырьков кавитации. С ее превышением число кавитационных пузырьков уменьшается.

Длительность воздействия. В большинстве физико-химических процессов максимальный эффект воздействия проявляется в первые 10-30 мин, увеличение продолжительности воздействия может вызвать обратное действие (например, эмульгирование и коагуляцию). В некоторых биохимических процессах эффект воздействия ультразвука проявляется в первые 1-2 мин, дальнейшая обработка также вызывает обратное действие (например, эффект повышения всхожести семян) [31]. Поэтому, в вопросе фактора длительности воздействия требуется индивидуальный подход к каждому отдельному процессу, так как определенных общих закономерностей еще не установлено.

Внешнее давление. Изменение статического давления оказывает сильное влияние на процесс кавитации. При исследовании течения химических реакций в ультразвуковом поле было выявлено, что как повышение давления, так и понижение его ниже атмосферного вызывает снижение эффекта воздействия и даже полное его прекращение.

Температура. Точно регулировать температуру жидкости, подвергающейся воздействию ультразвуковых волн, трудно, так как за счет поглощения ультразвуковой энергии выделяется значительное количество теплоты. Оптимальной температурой физико-химических процессов, проводимых при воздействии ультразвука, считают 10÷30 °С. При продолжительном воздействии ультразвука и связанном с этим повышении температуры обрабатываемых веществ за счет поглощения ультразвуковой энергии требуется охлаждение растворов [32,33,34].

1.3.2 Физико-химическое действие ультразвука на биомакромолекулы

Под действием ультразвука биомакромолекулы подвергаются химическим превращениям. Наибольший интерес представляет действие ультразвука на крахмал. Как известно, при действии амилаз расщепление крахмала завершается образованием мальтозы. При неполном гидролизе крахмала образуется ряд декстринов. Под действием ультразвука крахмал распадается только до декстринов. Проведенные ранее исследования показали, что в водном растворе полисахарида, обработанном ультразвуком, появление а-глюкозы не наблюдалось [35]. С увеличением продолжительности обработки ультразвуком раствора крахмала появляются последовательно:

- амилодекстрины, дающие еще с йодом синее окрашивание;

- эритродекстрины, дающие с йодом красное окрашивание;

- ахродекстрины, неокрашивающиеся йодом (частота ультразвуковых волн 720 кГц, продолжительность обработки до 20 мин.).

В поле ультразвуковых волн деградацию крахмала с образованием декстринов наблюдали также исследователи Жуков и Хенох [36]. При продолжительном воздействии авторы обнаруживали в водных растворах крахмала восстанавливающие вещества. По мнению исследователей, эти вещества возникают в результате разрыва кислородных мостиков в молекуле полисахарида. Однако в поле ультразвуковых волн только единичные кислородные мостики оказываются разорванными, о чем свидетельствует тот факт, что конечными продуктами являются декстрины.

Различным физико-химическим превращениям под воздействием ультразвука подвергаются молекулы белка [37]. О распаде крупных белковых молекул в поле ультразвуковых волн свидетельствует экспериментальные данные, полученные Эльпинером [38]. Коагулирующее и денатурирующее действие ультразвука на белковые растворы зависит от природы присутствующего газа. Распад полипептидных цепей исследуемых белковых молекул можно рассматривать как результат проявления механических сил, связанных с возникновением или захлопыванием кавитации [39].

Ферменты - это белки, поэтому под воздействием ультразвука они также претерпевают различные физико-химические изменения. Инактивирующее действие ультразвука проявляется преимущественно в присутствии кислорода. Замена кислорода водородом приводила к увеличению молекулярного веса исследуемого белка и сохранению активности фермента. Потеря каталитической активности в присутствии кислорода, по мнению автора, обусловлена окислением некоторых групп белка. Возникающие в водной среде, обработанной ультразвуком, концевые или боковые группы макромолекулярного радикала станут объектами окисления или восстановления в зависимости от природы присутствующего газа. В результате таких превращений в одних случаях имеет место инактивация, а в других - изменения структуры и формы радикалов [40, 41].

Чувствительность фермента к ультразвуку определяется строением и структурой белка. Например, оксидазы более чувствительны, чем редуктазы и амилазы. Но активность фермента при этом не нарушается [42].

Португальскими исследователями [43] обнаружено значительное усиление активности двух протеолитических ферментов: протеазы ХIY и Субтилизина при их обработке ультразвуком в водной среде в течение 5÷30с.

Таким образом, рассмотрено действие ультразвука на различные физико-химические процессы, которые могут происходить при любом производстве. Ультразвук только начинает находить свое применение в пищевой промышленности. В последнее время внимание исследователей привлекла ультразвуковая обработка сырья [44,45,46].

1.4. Влияние ультразвука на микроорганизмы

1.4.1. Разрушающее действие ультразвука

Механические колебания частотой свыше 20 кГц которые не воспринимает человеческое ухо, в акустике принято называть ультразвуковыми волнами.

Ультразвук впервые применил в своих исследованиях русский ученый Лебедев П.Н. в 1906 году [47] . Наличие биологического аффекта, вызываемого ультразвуковыми волнами, было установлено в 1919 году, когда Вуд и Люмис сделали впервые наблюдения над разрывным действием ультразвука. Они наблюдали разрывы парамеций и спирогиры. Последующие работы по изучению влияния ультразвука на живые организмы принадлежат физикам Харвею и Люмису, которым удалось подвести ультразвуковые волны к капле жидкости, содержащей биологические объекты, и наблюдать за их поведением под микроскопом. Кроме того, им удалось с помощью специального киноаппарата зафиксировать на фотопленке те морфологические изменения, которые наступают при данном воздействии. Выяснилось, что для разрыва бактериальной клетки требуется менее 1/200 доли секунды [48].

Гарвей и Люмис подвергали озвучиванию светящие бактерии, которые под воздействием ультразвука теряли способность к люминесценции и росту. Они также наблюдали мгновенные разрывы клеток в поле ультразвуковых волн [49, 50, 51, 52] .

Опыты С.Я.Стародубцева показали, что ультразвуковые волны частотой 500 кгц дают бактерицидный эффект в течение 1÷2 минут по отношению к кишечной палочке в. тонких слоях жидкости при непосредственном контакте с кварцевой пластиной [53]. Доливо-Добровольский Л.Б. и Кузнецов С.И. также исследовали бактерицидность ультразвуковых волн по отношению к кишечной палочке в водной среде с целью стерилизации питьевой воды [37].

Блинкин С.А. и др. сообщили о бактерицидном действии ультразвуковых волн на дизентерийные палочки [37]. Эльпинеру И.Е. и Шейкеру А.П. при воздействии ультразвука частотой 650 кгц на культуру коклюша в физиологическом растворе в течение 15 минут удалось разрушить микробные тела и извлечь из них токсин [23].

Столь большим и быстрым разрушительным действием обладают ультразвуковые волны лишь определенной интенсивности. Распад бактериальных клеток наблюдается тогда, когда, интенсивность колебаний является достаточной для образования кавитационных пузырьков в озвучиваемой среде. Увеличение интенсивности оказывается в этом отношении более эффективным, чем удлинение времени озвучивания [54]. Практически, применяя соответствующую интенсивность и продолжительность озвучивания, можно вызывать гибель почти всех видов бактерий. По данным многочисленных исследований в поле ультразвуковых волн подвергаются дезинтеграции грамположительные и грамотрицательные аэробные и анаэробные, патогенные и непатогенные бактерии. Чувствительные к ультразвуковым волнам палочковидные, кокковидные и другие формы бактерий, актиномицеты, вирусы[55,56,57, 58].

Воздействие ультразвука на микроорганизмы широко изучалось в 40÷60 годах прошлого столетия, чему посвящено множество работ этого периода. Было установлено, что бактерии отличаются между собой по своей чувствительности к действию, ультразвуковых волн. Сравнительно легко разрушаются Salmonella typhymurium, Lactotobacillus cosei, Proteus, vulgaris, Clostridium Welchii, Pseudomonas fluorescens, Staphylococcus aureus. Более устойчивыми были Sarcina lutea, Micrococcus lysodeirticus, Acetobacter suboxydans, Saccharomyces cerevisial [52]. Среди патогенных бактерий наиболее устойчивые туберкулезные бактерии и Micrococcus pyogenes, [59]. Чувствительность к ультразвуку оказалась неодинакова у разных штаммов бактерий одного вида [60,61] .

Степень чувствительности к ультразвуку, по мнению Хомпеш, определяется геометрической характеристикой озвучиваемых объектов. Он пытается объяснить этим более высокую устойчивость к ультразвуку кокковых форм по сравнению с палочковидными бактериями [62].

Крайне чувствительными к ультразвуку оказались нитевидные бактерии, менее чувствительными - палочковидные, наиболее устойчивыми - стафилококки и стрептококки [63, 64].

Под воздействием ультразвуковых волн образуются L-формы колоний, обычно возникающие при воздействии на бактериальные культуры ряда неблагоприятных факторов [65,66]. Бактерии L-формы намного чувствительны по сравнению с исходной формой, к действию ультразвука.

Картина разрушения бактериальных, клеток у различных микроорганизмов неодинакова. Так, бактериальные стенки Klebsiella pneumoniae разрываются на мелкие, отдельные кусочки [67]. Единичные разрывы стенок наблюдаются у дрожжей [68]. В этих случаях встречались и целые клетки, в которых не находили повреждений при микрокопировании препаратов, но при последующем инкубировании они не давали роста [69].

Литературные данные о механизме воздействия ультразвука на дрожжи, весьма противоречивы. По одним источникам ультразвук разрушает клетки [70], по другим - лишь уменьшает объем и вызывает сморщивание клеток, а затем их гибель [71]. Наконец, имеются данные, что дрожжи, например, сахаромицеты, относятся к формам абсолютно устойчивым к ультразвуковым колебаниям [72]. Такие противоречивые сведения по-видимому объясняются неодинаковыми условиями проведения опытов.

Установлено, что ионы кальция, натрия и калия не влияют на процесс разрушения дрожжевых клеток ультразвуком. Клетки суточной культуры более чувствительны к действию ультразвука, чем клетки 2÷3 суточной культуры. Клетки длительно голодавшие или охлажденные перед озвучиванием, обладают повышенной устойчивостью к действию ультразвука [37].

В поле ультразвуковых волн наблюдаются весьма глубокие различия в поведении эндомицетов и сахаромицетов [73]. Эндомицеты весьма чувствительны к ультраакустическим колебаниям. Уже при минутном озвучивании (частота 1,2 Мгц, подводимая к кварцевой, пластинке мощностью-250 Вт) в одних клетках эндомицетов отмечалось «вспенивание» протоплазмы, а в других - желатинизация последней. При помощи микроскопии в темном поле обнаружены оптически пустые ядра и вакуоли. При увеличении времени озвучивания дрожжевой суспензии эндомицетов до 5 минут удалось установить наличие механических разрывов клеток.

Иные изменения наступают в результате воздействия ультразвуковыми волнами на клетки сахаромицетов. В данном случае механические разрывы не наблюдались даже при озвучивании дрожжевой суспензии в течение 30÷60 минут. Отмечалось сильное разжижение и утончение протоплазмы и оболочки, которые часто приобретали неправильную угловатую форму. Наблюдаемая картина напоминает азтолиз дрожжей. Более того, даже после 1÷1,5 часового озвучивания выживаемость сахаромицетов составляла 80-90 % [70] . Большой процент выживаемости сахаромицетов наблюдали Коломова Л.С. и Левинсон М.С. [72].

Дербенева Т.Г. изучала влияние ультразвука на бродильную способность винных дрожжей [74]. Озвучивание проводилось при частоте 905 кгц с экспозицией в 40 минут. По действием ультразвука в ряде генераций число колоний в чашках Петри последовательно уменьшалось, а в седьмой генерации было в 52 раза меньше по сравнению с контролем. Уже во второй генерации имелись сильно опалесцирующие клетки, что можно объяснить изменением физико-химического состояния белков. Угнетение роста дрожжей использовали для подавления спиртового брожения. Так, Беридзе Г.И., Дербеневой Т.Г., Дидебуладзе К.Н. удалось найти способ задержки спиртового брожения при желаемой сахаристости для получения природносладких вин [48,75].

О влиянии ультразвуковых волн на рост и ферментацию дрожжевых клеток сообщается также в ряде других работ [37,76,77].

Различные виды актиномицетов отличаются между собой по чувствительности к ультразвуковым волнам [78]. Наивысшей чувствительностью обладают Act. globispozus streptomycini, Act. globisporus 1131, Act. globisporus 58. В течение 0,5÷2 минут озвучивания взвешенные в физиологическом растворе комочки и хлопья этих культур разрушались, образуя тонкую, полностью гомогенную суспензию. При микроскопировании обнаруживались разорванные нити и отдельные фрагменты мицелия. Меньшую чувствительность к ультразвуку обладают Act. fradiae и Act. aerofaciens.

Гомогенная суспензия мицелия этих культур получалась лишь после 8÷10 минутного озвучивания. Весьма резистентны к ультразвуку оказались Act. violacens, Act lavendulae и некоторые другие. Полностью гомогененизировать суспензию этих актиномицетов не удалось даже при озвучивании в течение 20÷30 минут [79].

Насыщение озвучиваемой жидкости тем или иным инертным газом при атмосферном давлении, приводит к более легкому возникновению кавитации. Так, бактерицидный эффект при озвучивании бактерий сибирской язвы (5 Вт/см², 800 кгц) выявился тогда, когда озвучиваемая жидкость предварительно насыщалась углекислым газом азотом, кислородом или воздухом [80].

Эффективность воздействия ультразвуковых волн на микроорганизмы зависит также от концентрации последних. Так, при интенсивности волн 15 Вт/см² Trypanosoma gambiense в количестве 14 тыс. кл/мл разрушалась в течение 20 секунд, в то время как при концентрации 48 тыс. кл/мл гибель завершалась в течение 75 минут озвучивания [81]. Отсутствие бактерицидного эффекта наблюдалось при озвучивании значительной концентрации кишечной палочки, золотистого и гемолитического стрептококка [82].

По мнению некоторых авторов, чувствительны к ультразвуку те микроорганизмы, структура оболочек которых обладает особенностями, благоприятствующими возникновению кавитации в непосредственной близости к поверхности бактерии. Гидрофобный характер поверхностного слоя оболочки способствует возникновению кавитационных пузырьков на границе вода-микроб, этим обусловливается быстрая его гибель в поле ультразвуковых волн. Наличие поверхностно-активных веществ в водной суспензии бактерий, приводящих к снижению степени гидрофобности их оболочек, уменьшает скорость гибели бактерий под действием ультразвука [83,84].

Действие ультразвуковых волн не сводится только к механическим разрывам клеток и клеточных структур, в результате этого действия довольно часто наблюдаются биохимические и функциональные изменения, не приводящие к гибели микроорганизма. Такие изменения наступают в ряде случаев даже тогда, когда биологический, объект считается резистентным к действию ультразвуковых волн. Согласно работам Варнеке, стафилококки отличаются большой к резистентностью к действию ультразвука [85]. Они не погибали в течение 2 часов при озвучивании ультразвуком мощностью 5 вт/см при частоте 800 кгц. Однако у этих микроорганизмов даже при 10-ти минутном озвучивании наблюдалось повышение чувствительности к действию пеницилина. Это явление нашло применение в медицине. При совместном применении ультразвуковых колебаний и антибактериальных растворов 92,8%, гнойных и инфицированных ран становятся стерильными [37].

Озвученные дрожжевые клетки становятся более чувствительными к фотодинамическому действию эозина, чем неозвученные, при этом фотодинамический эффект увеличивается в несколько десятков раз. Указанное явление наблюдали при добавлении эозина к суспензии клеток сразу после озвучивания. Если краситель добавить через 30 минут после озвучивания, то под воздействием света погибало только 40 % клеток [86] .

Для объяснения механизма разрушительного действия ультразвуковых волн на биологические объекты существует несколько теорий. Центральное место среди которых занимает кавитационное электрохимическая теория, в которой рассматриваются вопросы, касающиеся поведения кавитационных пузырьков, возникающих, в озвучиваемой, среде. Разрушающим действием обладают ударные волны, образующиеся при захлопывании кавитационных пузырьков в озвучиваемой жидкости. При сжатии пузырька в нем происходит электрический разряд, сопровождающийся излучением ультрафиолетовых лучей [37].

Согласно теории о локализованных в полостях высоких температур, в кавитационном пузырьке возникаю богатые энергией частицы ионизованные и возбужденные молекулы и ионы, свободные радикалы и т.д [87].

Для объяснения механизма действия ультразвуковых волн на биологические объекты в последнее время появилась теория акустического течения. Звуковая волна наряду с потерей энергии теряет часть импульса, и в силу закона сохранения импульса эта потеря компенсируется возникновением акустического течения (перенос вещества). Акустические течения возникают как в клетках, так и во внеклеточном пространстве, которые прекращаются после снятия ультразвукового поля [55].

Биологическое действие ультразвука пытались объяснить наличием резонансных эффектов [37]. По данным Акермана Е. существует определенная частотная зависимость биологических эффектов, вызываемых ультразвуковыми волнами, которая выражается в механическом повреждении клеток. При воздействии ультразвука на клетки на резонансной частоте возрастает относительная скорость разрушения, наступающая при более низкой интенсивности по сравнению с интенсивностью ультразвука нерезонансного диапазона [88].

Следует отметить, что механизм воздействия ультразвука на живые объекты более сложен и многогранен, а кавитацию следует рассматривать, как одно из звеньев в сложной цепи реакций, разыгрывающихся в жидкой среде при распространении в ней ультразвуковых колебаний.

1.4.2. Интенсификация жизнедеятельности микроорганизмов

Особый интерес представляют данные жизнедеятельности микроорганизмов. Кратковременное воздействие ультразвуковых волн иногда вызывает увеличение численности бактерий и их активности. Из литературных данных известно, что под действием ультразвуковых волн иногда в клетках бактерий наступают физико-химические сдвиги, приводящие, по-видимому, к «расшатыванию» или «разрыхлению» внутриклеточных структур, локализующих ферменты [37]. Последнее выражение в том, что под действием ультразвуковых волн увеличивается проницаемость клеточных мембран, что приводит к усилению потока ферментов из клетки в среду. Это стимулирует биосинтез ферментов клеткой и повышает ее биохимическую активность.

При обработке дрожжей ультразвуком, мощностью-10 Вт/см² при частоте 740 кгц в течении 45 минут содержание эргостеролов в озвученных клетках Saccharomyces cerevisiae увеличилось на 60%, в Sacch. carlsbergensis - на 30%. и в Sacch. сarlsbergensis Frohberg - на 45%[48]. Увеличение содержания эргостеролов в дрожжевых клетках происходит только под действием ультразвуковых волн. Другие физические факторы (рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, повышение «температуры») непосредственно после воздействия не вызывают, увеличения содержания эргостерина в изучаемых дрожжевых культурах. Дрожжевые клетки Sacch. globosus 349, отличающиеся большой резистентностью в поле ультразвуковых волн, не содержат фермента инвертазы, расщепляющего сахарозу. Эти клетки приобретают способность сбраживать сахарозу лишь при длительном и многократном выращивании на среде с сахарозой. Оказалось, что под действием ультразвуковых волн в клетках дрожжей появляется активная инвертаза, которая, по-видимому, ранее была в неактивном состоянии [37].

В озвученной культуре актиномицетов (20 Вт/см², 1÷10 мин) выростает мицелий с большим числом утолщенных боковых веточек. Культуры, выросшие из озвученных спор или обрывков мицелия, отличались от контрольных большим накоплением биомассы и более поздним переходом к автолизу. Сухой вес мицелия, выросшего из его обрывков, полученных в результате озвучивания в 1,7 раза превышал вес контрольного [84] .

При изучении бактерицидного действия ультразвуковых волн было обнаружено, что кратковременное озвучивание азотобатера ультразвуком интенсивностью 5÷6 Вт/см² при частоте 765 кгц приводит к увеличению его биомассы. Биомасса озвученных клеток (1-10 мин) после 10-ти часового роста в термостате увеличивалась в 2÷2,5 раза. Наиболее чувствительными к разностороннему действию, ультразвука оказались клетки, находящиеся в состоянии активного метаболизма [37]. Аналогичные, результаты были получены при озвучивании дрожжей ультразвуком мощностью 3 Вт/см² при частоте 1Мгц. Экспозиция 30 минут была оптимальной, прирост биомассы составил 9,9÷12% [37]. Изучая действие ультразвука на микроорганизмы, Кантор Д.И. обнаружил, что в условиях термостатирования эффект обеззараживания наблюдался не всегда. В некоторых вариантах опыта отмечено повышение численности микроорганизмов в 1,5 раза [30]. В результате озвучивания проб активного ила ультразвуком мощностью 3 Вт/см² при частотах 25 и кгц в течение 0,25÷1 минуты увеличилась дегидрогеназной активности его микрофлоры в 1,5÷2 раза [37]. Обработка ила ультразвуком более, четырех минут вызывала угнетение его ферментативной активности.

Максимальное значение дегидрогеназной активности в озвученных пробах соответствовало наибольшему количеству сапрофитных микроорганизмов, образующих колонии на МПА. В озвученном иле увеличивалась скорость потребления кислорода, что свидетельствует о стимуляции метаболической активности его микрофлоры ультразвуком [37].

Литературные данные по вопросу интенсификации жизнедеятельности микроорганизмов ультразвуком весьма богаты. Положительное действие ультразвука только констатировалось в некоторых работах, при изучении его, обеззараживающего действия [37,84,89,]. Также недостаточно изучен вопрос интенсификации жизнедеятельности микрофлоры при сбраживани органических отходов.

Анализ доступной нам литературы по вопросу стимулирования процесса жизнедеятельности микроорганизмов электрическим током и ультразвуком показывает, что приводимые научные данные относятся, в основном, к работам по интенсификации почвенных микроорганизмов, а также микроорганизмов, используемых в пищевой и ферментной промышленности. Имеющиеся немногие научные сообщения по интенсификации роста и ферментативной активности микрофлоры активного ила можно рассматривать как предпосылку к проведению исследований в этом направлении. В связи с этим было принято решение изучить возможность стимулирования жизнедеятельности микроорганизмов органических отходов с целью интенсификации биохимической реакции при получении биогаза.

В таблице 2 представлены основные направления микробиологических методов интенсификации процесса анаэробного сбраживания и авторы, сделавшие вклад в их развитие [90].

Таблица 2

Микробиологические методы интенсификации процесса анаэробного сбраживания

Методы	Авторы
Коферментация	Amon Т., Boxberger J., Lindworky J., Scheibler V.,Boum R., Lorenz H, Philipp W.
Новые штаммы микроорганизмов: p.p. Clostridium, Methanosarcina, Methanohacterium,Methanospirillum, Metanobrevibacter, Metanococcus, Metanogenium.	LettingaG., vanVelsenA., HobmaW., deZeeuwW. J.,KlapwijkA., SmithK., BaruaJ.M., WattP.W., HarbisonG.S., SmithS.O., PardoenJ.A., MulderP., LugtenburgJ., HerzfeldR., MathiesR., GriffinR.G., LewisA.,MarcusM.A., Ehrenberg В., CrespiH.L.
Стимулирующие добавки: энзимы, факторы роста, БАДы	ShipmanR.H., PalmerD.P., WalawenderW.P., FanL.T,Crane Т.Н., GrammsL.C, PokowskiL.B., LinguistO.H., МиндубаевA.3., Минзанова СТ., (ИОФХим.А.Е.АрбузоваКазНЦ РАН).
Иммобилизация: в гелях, на мембранах, волокнах, решетках	MalyJ., Fadms Н., BuswellA.M., Сироткин A.C.,LawrenceA.W., RicciL.J., AibaS., MillisN.F.,Емельянов A.B., Шагинурова Г.И.

1.5 Зарубежный опыт обработки органических отходов ультразвуком

В работе [91] при предварительной обработке навозной жижи ультразвуком (6000 ± 500 кДж/кг). Удельная активность метаногенных бактерий увеличилось по сравнению с контрольным (20 ± 5%)

В исследовании [92], биологический материал отходов, куриный помет, предварительно обрабатывали ультразвуком в водном растворе при 24 кГц. Влияние амплитуды ультразвука и времени реакции были исследованы с точки зрения выхода биогаза и содержанием метана. Лучшие результаты были получены при высоких амплитудах и времени высокой реакции по тенденции, где выход биогаза может быть увеличен до 41%. Кроме того, содержание метана может быть увеличена в лучшем случае, от 66,9% (необработанной) до 70,4%. Следовательно, использование ультразвука может увеличить общий выход метана до 46%.

Производство биогаза путем совместного сбраживания навоза КРС и глицерина, полученного из производства биодизеля. Исследования проводили после предварительной обработки ультразвуком навоза крупного рогатого скота или смеси навоза КРС с различными количествами добавленного глицерина. Эксперименты проводили с 1750 мл среды, содержащей 1760 г экранированной навоза крупного рогатого скота или смеси навоза крупного рогатого скота и (70÷140) мл глицерина, сбраживание производили при мезофильных и термофильных условиях, в реакторе с мешалкой. При мезофильных условиях, добавление 4% глицерина и навоза увеличил производство биогаза до 400%. Применение ультразвука (20 кГц, 0,1 кВт и 4 мин) к смеси навоза плюс 4% глицерина увеличил производство биогаза на величину до 800% по сравнению с необработанным навозом. Наилучшие результаты были получены при термофильных условиях с использованием ультразвуком смеси навоза КРС с 6% добавленной глицерина [93].

Работа [94] представляет собой исследование влияния применения ультразвука при предварительной обработке в производстве метана при совместном сбраживании смеси навоза КРС с пищевыми отходами и ила. Эксперименты проводили в мезофильных и термофильных условиях в реакторе с непрерывным перемешиванием, содержащих 70% навоз, 20% пищевых отходов и 10% осадка сточных вод. Смесь предварительно обработали ультразвуком. По отношению к необработанному ультразвуком смесь, значения увеличились в размере до 31% и 67% для мезофильных и термофильных брожения, соответственно.

Исследование [95] направлено на оценку улучшение анаэробных пищеварения урожайности, полученных ультразвуковым предварительной обработки твердых органических субстратов.

Возможность расширения производства метана из анаэробного сбраживания органических остатков особенно интересно. С этой целью, применение предварительной обработки представляет собой один из самых подходящих вариантов. Среди предварительной обработки, сонолиза возникает в новой технологии, эффективность которых связана с возникновением кавитационных явлений. Они способствуют солюбилизации органических веществ, тем самым увеличивая количество субстрата, который может быть преобразован в метан.

Применение ультразвука в качестве предварительной обработки осадка сточных вод для биологической обработки была тщательно изучена и натурные объекты уже созданы.

Экспериментальные результаты показывают, что ультразвуковые энергозатраты в диапазоне 31÷93 Вт ч/л усиливается производства биогаза из разных по составу субстратов до 71%. Наибольший рост был на основе лигноцеллюлозных материалов и это было связано с улучшением солюбилизации. С другой стороны, увеличение выхода биогаза, в диапазоне 3÷23%, был выявлен для богатых белком подложки. В этом случае любые соответствующие вариации в растворимой ХПК наблюдалось после ультразвуковой предварительной обработки.

Таким образом, выход биогаза зависит от конкретного состава подложки, отношения между солюбилизации и анаэробной биоразлагаемости, также было установлено, значительное отличие, и это представляет собой доказательство для расширения комбинированного ультразвукового воздействия на анаэробный процесс сбраживания.

В работе [96] рассматривается эффективность сонолиза в улучшении анаэробной биоразлагаемости органической фракции твердых бытовых отходов, поступающих от механических отбора, что позволяет повысить производство биогаза и получения энергии,

Результаты показывают, что сонолиз может значительно улучшить биоразлагаемость органических твердых отходов, что позволяет получить более высокий выход биогаза при анаэробной обработке субстрата. Через 45 дней, количество биогаза при анаэробных тестах, в смеси обработанным ультразвуком был на 24% выше, чем необработанный.

Таким образом, эти результаты могут заложить основу для развития технологий, полезных в целях улучшения производства экологически чистой энергии из биоотходов.

В исследовании [97], низкочастотный ультразвук использовался в качестве предварительной обработки мясоперерабатывающей стоков для улучшения анаэробной биоразлагаемости. Влияние ультразвука на систему анаэробной разложению оценивали с точки зрения биохимических потенциала метана, применяя различные конкретные энергетические потоки. Удельный расход энергии варьировалась от 0 до 750 МДж/кг общего твердого вещества, сохраняя при этом ультразвуковой постоянной частоте при низком уровне 20 кгц. Результаты показали, что эффективность анаэробной биоразлагаемости может быть получена даже при очень низкой частоте ультразвука в обработки мясных сточных вод. Кроме того, максимальный суммарный объем метана был получен при 120 МДж/кг, в объеме 376 мл. Объем для предварительно необработанных сточных вод был только 304 мл, который показывает, что применение ультразвука в качестве предварительной обработки может обеспечить улучшение на 24% в производстве метана.

Выводы

На основании приведенного литературного анализа можно сделать вывод, что в настоящее время самой перспективной технологией переработки биоорганических отходов агропромышленного комплекса является анаэробное сбраживание. Данная технология позволяет получать универсальные органические удобрения и товарный биогаз.

К процессу переработки способом анаэробного сбраживания предъявляться повышенные требования: по рН навозных стоков; по температурному режиму, вызывающему сложность осуществления в зимний период времени; по наличию трудно поддающихся биологическому разложению органических соединений, а также по полноте обеззараживания навозных стоков от патогенных микроорганизмов.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

- выход биогаза при сбраживании органических отходов зависит от ряда факторов, значения которых определены теоретически и подтверждены на практике. Однако даже при поддержании основных параметров (температуры, pH среды, гранулометрического состава) на оптимальном уровне, потенциальные возможности биомассы не исчерпываются в полной мере.

- малая эффективность известных способов анаэробного сбраживания водного органического субстрата в виду значительной энергоемкости процесса и сложности поддержания основных технологических режимов в узком интервале, а также необходимость перемешивания органического субстрата в течение длительного цикла метановой ферментации потребовала разработки принципиально нового способа.

Постановка вопроса, цель и задачи исследований

На основании вышеизложенного можно отметить, что процесс анаэробного сбраживания органических отходов, а также качественный выход целевых продуктов в виде биогаза и минеральных удобрений в большей степени зависит от технологии приготовления сырьевых компонентов, чем от совершенствования конструкций биогазовых установок. Ввиду этого, в работе предлагается нетрадиционный технологический процесс активации продуктов органического субстрата путем использования ультразвуковой обработки.

Цель исследования - интенсификация процесса анаэробного сбраживания водного органического субстрата и получение научно-обоснованных решений по разработке технологии и оборудования с использованием ультразвука.

На этом основании и в соответствии с целью исследований сформулированы следующие задачи:

- провести анализ способов и технических средств по переработке биоорганических отходов сельскохозяйственного производства с целью разработки перспективного технологического решения.

- разработать экспериментальную установку, обеспечивающий увеличение выхода биогаза при анаэробной переработке органических веществ из водного субстрата под воздействием ультразвука;

- изучить факторы, влияющие на скорость образования биогаза.

2 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Этапа проведения эксперементов

Этапы проведения исследований представлены на рисунке 13

Для проведения экспериментальных исследований, в качестве источника органических отходов животноводства, были выбраны наиболее распространенные в регионе и отвечающие технологическим требованиям [98, 99] навозные стоки фермерских хозяйств. Сырье доставлялось в лабораторию кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика» Государственного Университета имени Шакарима города Семей

Анализ литературы. Выбор направления, цели и задачи исследования

Проведение эксперементальных исследований по биоконверсии органических отходов в биогаз

Объект исследования

Оценка влияний ультразвука на метаногенез

Оптимизация состава субтракта

и технологических параметро

Выводы и рекомендации

Отходы сельского хозяйства: навоз КРС

Рис 13 Этапы проведения работы

Исходный материал доводился до необходимой влажности разбавлением водой с комнатной температурой (18 °С), и выдерживался в течение 2 суток [100].

Проведение экспериментальных исследований, обработка и анализ результатов осуществлялся на основании теории планирования эксперимента и прикладной статистики.

2.2 Экспериментальная установка

Для проведения исследований были создана лабораторная установка, которая позволяли выполнять следующие операции, необходимые для получения экспериментальных данных:

регулировку и стабилизацию температуры брожения;
перемешивание сбраживаемого навоза;
систематический отбор проб во время брожения;
измерение количества биогаза;
постоянное восполнение жидкого навоза и отвод перебродившего материала.

Была разработана эксперементальная установка (рис.14) - с бродильным сосудом в термокамере.

Для проведения эксперимента были изготовлена и использована термокамера, предназначенная для изучения процесса выделениям биогаза. В качестве бродильных камеры, была использована пластиковая емкость 0,02м³. Емкость ставилась в термокамеру, температура которой могла регулироваться. Принципиальная схема работы установки приведена на рисунок 5.

Рис. 14 Общий вид экспериментальной установки с термокамерой

Пластиковая емкость, помещенная в термокамеру (1), герметично закрывалась крышкой. К патрубку, выведенному через крышку, подключен резиновый шланг (5). Биогаз, образовывавшийся во время брожения, перемещался по шлангу в сосуд для сбора газа (7). В качестве газосборника служила пластиковая емкость объемом 0,015м³, помещенная на стойке вверх дном. В пробку горловины были введены один длинный (9) и один короткий патрубок (14).

1-термокамера, 2-биореактор, 3- температурный датчик и рН электрод, 4- регистратор рН и температуры, 5- мешалка, 6-шланг для отвола газа, 7-кран, 8-газгольдер, 9- трудка для отвода газа 10-сливной патрубок, 11-мензурка, 12-водопровод, 13-кран-переключатель, 14-патрубок, 15-температурный регулятор, 16-калорифер.

Рис.15. Схема экспериментальной биогазовой установки

Перед началом эксперимента газосборник был заполнен водой так, что конец длинного патрубка находился в воздушном пространстве, образовавшемся над уровнем жидкости. На свободном конце короткого патрубка была размещена изогнутая трубка, представляющая собой сливной патрубок (9). Сливной патрубок был закреплен на стойке так, чтобы его отверстие было выше уровня воды, залитой в газосборник. Высотой размещения сливного патрубка относительно уровня жидкости можно было регулировать давление газа, содержавшегося в газосборнике. Биогаз, поступавший в сборник, если его давление достигало величины давления, регулируемого сливным патрубком (5 м.бар), вытеснял воду в измерительный цилиндр (10), количество которой равнялось объему, занятому газом. На основании измерений количества воды, скапливавшейся ежедневно в измерительном сосуде, определялась количество образующегося газа. Для заполнения водой применялись трехпозиционные переключательные краны, вмонтированные в газовый патрубок для жидкости.

В первой серии испытаний были проведены лабораторные измерения выхода биогаза и скорости его образования в термокамере при психрофильном режиме без ультразвуковой обработки (25 °С). Продолжительность испытаний была принята равной 35 дням. Величина рН, объемный вес определялись в химической лаборатории.

Вторая серия испытаний была проведена при психрофильном режиме с ультразвуковой обработкой.

Общее количество выделяемого газа измерялось 1 раз в день. Результаты измерений анализировались каждые 5 дней. Обработка полученных результатов проводилась по общепринятый методикам [100]. Удельное количество биогаза определялось в м³.

В таблице 3 приведены характеристики жидкого навоза крупного рогатого скота, использованного при проведении экспериментальных исследований в психрофильном режиме сбраживания без ультразвуковой обработки.

Таблица 3

Характеристики жидкого навоза крупного рогатого скота

Показатели сбраживаемого навоза	Номер эксперимента			Среднее значение
Показатели сбраживаемого навоза	1	2	3	Среднее значение
Объем, м³´10^-3	16	15	15	15,3
Величина рН	6,6	6,8	6,9	6,8
Объемный вес, кг/м³	1006	1017	1008	1010

Показатели жидкого навоза, использованного при второй серии испытаний, приведены в таблице 4.

Таблица 4

Характеристики жидкого навоза крупного рогатого скота

Показатели сбраживаемого навоза	Номер эксперимента			Среднее значение
Показатели сбраживаемого навоза	1	2	3	Среднее значение
Объем, м³´10^-3	16	15	15	15,3
Величина рН	6,6	6,8	7,0	6,8
Объемный вес, кг/м³	1006	1010	1018	1008

Сложный характер микропроцессов, имеющий место при сбраживании, может быть изучен, лишь с применением специальных методов, имеющих разрешающую способность, соизмеримую с флуктуациями физико-химических процессов. Поэтому были изучена следующие методики:

- метод определения рН;

- метод наименьших квадратов

2.3 Методика потенциометрии для определения рН

Среди всех параметров, определяющих условия анаэробной переработки, наиболее важным является рН-среды. Как установлено, метаногенные бактерии функционируют только в нейтральной среде (культивирование бактериальной культуры возможно в интервале значений pH = 6,5÷7,5). В ходе процесса с увеличением концентрации продуцируемых органических летучих кислот величины pH имеют тенденцию к снижению, что неблагоприятно влияет па продуктивность последующего этапа метаногенеза. Поэтому контроль параметра pH является основным требованием технологии анаэробной обработки, определяющим эффективность процесса.

В работе будут освещены вопросы измерения активности ионов водорода, как в воде, так и водных растворах с использованием рН-метрии [101, 102]. Определение рН в основном сводится к измерению некоторой разности. Значение экспериментально определяемой величины рН в значительной мере зависит от численного значения рН, приписанного стандарту.

Следует отметить, что измерение рН позволяет косвенно определить изменения в термодинамике растворов электролитов и оценить эффективность прохождения реакций.

При определении рН должны соблюдены следующие условия:

- На приборе, с помощью которого измеряли рН, определялась разность между значениями рН двух растворов - стандартного буферного и исследуемого, при одной и той же температуре.

Точность прибора в области рН исследуемых растворов устанавливается путем определения рН второго стандартного раствора. Желательно, чтобы рН исследуемого раствора было заключено между рН стандартных растворов
Ошибки, обусловленные колебаниями температуры и изменения остаточного диффузионного потенциала, сводили к минимуму путем стандартизации установки при рН, близкого к значению рН исследуемого раствора.
Электроды, которые при измерений проявляют заметные ошибки, быстро возрастающие с ростом температур, выбирают с учетом наиболее подходящих и вводятся поправки.

Порядок определения рН изменялся в зависимости от частной задачи, предъявляемой к исследуемому раствору, его устойчивости, буферной емкости и требуемой точности определений.

Перед работой электроды и сосуд для измерения тщательно промываются и протираются тканью. Наполнив последний исследуемым раствором, обновляли жидкостную границу и снимали отсчет со шкалы рН. Повторные измерения со свежими порциями раствора проводятся до тех пор, пока рН двух последующих определений не совпадали между собой с точностью ±0,02 (хорошо забуференный раствор) или ±0,1 ед. рН (вода или слобозабуференный раствор).

Метаболическая активность и уровень воспроизводства метановых бактерий обычно ниже, чем кислотообразующих и при нарастании количества образующихся органических веществ может получиться избыток летучих кислот, который снижает активность метановых бактерий, как только значение рН опустится ниже 6,5. В качестве оптимальных значений следует руководствоваться значениями рН 6,8÷7,5 [3].

Для определения изменения рН водного субстрата в ходе обработки его ультразвуком использован портативный рН-метр марки рН-118.

Технические характеристики

Диапазон измерений:

- рН: 0,00 ~ 14.00 pH

- Температура воды: -50 ~ 70 °C / -58 ~ 158 °F

Разрешение:

- рН: 0,01 pH

- Температура воды: 0,1 °C/0.2 °F

Точность:

- рН: ± 0,1 pH

- Температура воды: ± 1 ° С / ± 0,2 ° F

Автоматическая температурная компенсация (ATC): 0 - 50 °C / 32 - 122 °F

Рабочая температура: 0 - 50 ° C / 32 - 122 ° F

Источники питания: DC 6V батарея или адаптер переменного тока

Размеры: 75 (Д) х 55 (Ш) х 28 (Г) мм (2,95 "х 2,17" х 1,10 "дюйма)

Вес: 204 гр.

Определяя водородный показатель, служащий количественной характеристикой кислотности субстратов, удается оценить влияние предлагаемой обработки на направление и скорость химической реакции.

2.4 Математическая обработка результатов экспериментальных исследований

Обработку результатов эксперимента производим по методу наименьших квадратов (МНК) [103, 104, 105], с использованием ЭВМ и программного продукта Microsoft Excel. МНК состоит в том, чтобы минимизировать сумму квадратов отрезков, характеризующих расхождение между экспериментальными точками и полученным уравнением. МНК гарантирует, что остаточная сумма квадратов минимально возможная.

Для движения к точке оптимума составляет линейная модель:

Y = b₀+b₁x₁+...b_kx_k,

(1)

Для любого числа факторов коэффициенты вычисляются по формуле:

(2)

где j = 0,1,2...,k - номер фактора (0 применяется для вычисления b₀).

Так как каждый фактор (кроме Х₀) варьируется на двух уровнях +1 и -1, то вычисления сводятся к приписыванию столбцу Y знаков соответствующего фактору столбца и алгебраическому сложению полученных значений. Деление результата на число опытов в матрице планирования дает искомый коэффициент.

При проверке гипотезы о пригодности модели или о значимости коэффициентов, использовался регрессионный анализ.

Дисперсию для каждого опыты.

(3)

где (n-1) - число степеней свободы, равное количеству опытов минус единица;

Y_q - результат отдельного опыта;

Y- среднее арифметическое всех результатов.

Среднее квадратическое отклонением (стандарт):

(4)

Стандарт имеет размерность гой величины, для которой он вычислен.

После вычисления коэффициентов, проверяется адекватность полученной модели.

Для проверки гипотезы об адекватности используем Р - критерий, называемый критерием Фишера:

(5)

где S²_AД - дисперсия адекватности или остаточная дисперсия.

(6)

где f- число степеней свободы.

(7)

Удобство использования критерия Фишера состоит в том, что проверку
гипотезы можно свести к сравнению с табличным значением. В технических
задачах, как правило, используется уровень значимости 0,05. Если
рассчитанное значение F-критерия превышает табличное, то с
соответствующей доверительной вероятностью модель можно считать
адекватной.

Проверка значимости каждого коэффициента проводилась независимо.
Её осуществляли проверкой по t- критерию Стьюдента, а также построением
доверительного интервала.

Дисперсия коэффициента регрессии S²₍_bj₎ - определяется но формуле:

(8)

Доверительный интервал (b_j):

(9)

где t-табличное значение критерия Стьюдента при числе степеней
свободы, с которым определялась S²₍_Y₎, и выбранном уровне значимости (обычно 0,05);

S²₍_bj₎ - квадратичная ошибка коэффициента регрессии

(10)

Формула для доверительного интервала запишется в следующей эквивалентной форме:

(11)

Коэффициент значим, если его абсолютная величина больше доверительного интервала. Доверительный интервал задается верхней и нижней границами b_j + b_j и b_j- b_j.

Значимость коэффициентов по 4-критерию Стыодента находили по формуле:

(12)

Вычисленное значение t-критерия сравнивалось с табличным, при заданном а и соответствующем числе степеней свободы. Если вычисленное значение больше табличного, то коэффициент считается значимым.

Критерий Стьюдента также использовали для отброса ошибочных опытов по формуле:

(13)

Бракованным считали опыт, при котором экспериментальное значение критерия t по модулю больше табличного значения.

2.5 Разработка погружного ультразвукового излучателя для обработки биогаза

Для ультразвуковой обработки водного органического субстрата и биогаза необходимо разработать специальные устройства, отвечающие рациональным режимам обработки.

Основные параметры ультразвука. Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

(14)

где f – частота, Гц,

T – период, с

Рис. 16 Основные параметры ультразвуковой волны

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

(15)

где l – длина волны, м;

с – скорость звука, м/с

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [106]

(16)

где – скорость звука для продольных волн, м/c;

E – модуль упругости, Па;

m – коэффициент Пуассона;

r – плотность, кг/м³

Для поперечных волн она определяется по формуле

(17)

где – скорость звука для поперечных волн, м/с;

G – модуль сдвига, Па

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты w. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Интенсивность и мощность ультразвука. Интенсивность звука (сила звука) - средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [106]. Интенсивность ультразвука - величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [107].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

(18)

где р — амплитуда звукового давления, Па

v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c

r — плотность среды, кг/м³

с — скорость звука, м/c

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м². В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10^-12Вт/м²до сотен кВт/м²в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука- энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [107].

Излучатели ультразвука. Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения [108].

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [107].

Характеристики излучателя ультразвука. К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f₀ преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

(19)

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м².

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Пьезоэлектрические преобразователи (рис.17) обеспечивают преобразование энергии электрического поля в механические колебания УЗ частоты.

Используются для формирования УЗК в жидких, твердых и газообразных веществах. Рабочие частоты от 20 кГц до 1000 кГц. [37,109]

а) - с фланцевым креплением; б) - с центральным болтом; в) - с центральным болтом Т-образной формы; 1 - пьезокерамические пластины; 2 - излучающая накладка; 3 - отражающая накладка; 4 – прокладка; 5-болт стягивающий; 6 - контактны.

Рис.17 Конструкции составных пакетных пьезокерамических преобразователей

Этот вид преобразователей получил наибольшее распространение, практически вытеснив из практики все остальные преобразователи.

Воздействие ультразвука на биогазовую смесь способствует перераспределению состава газовых ингредиентов и повышению процентного содержания метана в смеси, что представляет научный и, в большей степени, практический интерес обработки выходящего из метантенка биогаза, [28].

Для ультразвуковой обработки субстрата применили генератор НL-900A. Частота ультразвуковых колебаний, генерируемых генератором, составляла 40 кгц. Основные параметры генератора представлены в таблице 5.

Таблица 5

Параметры генератора

Модель

Габаритные размеры, мм

Максимальная мощность, кВт

Ток, А

Рабочая частота, кгц

Электропитание,

В/гц

НL-900A

（600W）

268´240´115

0,6

2,0

28÷40

200÷230/50÷60

Разработанное устройство (рис 18) - погружной ультразвуковой излучатель, представляющий собой буксу небольшого размера, из нержавеющей стали, на которые через определенный промежуток времени накладывалось ультразвук интенсивностью 10 Вт/см².

1 - преобразователь; 2 - букса

Рис. 18 Погружной ультразвуковой излучатель для обработки биогаза

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Определение рН водного органического субстрата

Измерение концентрации водородных ионов рН показали, что водный органический субстрат, имеющий рН 6,3, после воздействия ультразвука изменяет активность ионов водорода до рН 7,6, тем самым оказывая благоприятное влияние на развитие и жизнедеятельность микроорганизмов. Целесообразность применения данной обработки подтверждается экспериментальными исследованиями. представленные в табл.6 и на рис.20.

В соответствии с выше приведенными исследованиями установлено, что направление и скорость химической реакции в значительной степени зависит от водородного показателя.

Выход биогаза напрямую зависит от количества микроорганизмов. Воздействие ультразвука позволяет ускорить процесс зарождения и роста микроорганизмов и увеличить их количество по всему объему субстрата, находящегося в метантенке.

Следовательно, усиливая способность микроорганизма продуцировать метаболизм клетки, открывается возможность повышения скорости роста и увеличения поверхности метанобразующих бактерий.

Влияние эффекта ультразвука на величину рН (рис. 20) представлено на графике.

Метаногенные бактерии функционируют только в нейтральной среде (разведение бактериальной культуры возможно в интервале значений рН = 6,5-7,5). Как видно из графика, на первом этапе, в первой (кислотной) стадии брожения содержащиеся в отходах органические вещества под влиянием анаэробной микрофлоры расщепляются на сложные органические соединения (белки, углеводы и др.), которые трансформируются в органические кислоты жирного ряда. Вначале, в соответствии с теорией анаэробного процесса, образуются уксусная и масляная кислоты со следами валериановой, изо-валериановой муравьиной и капроновой кислот. Большое количество анионов уксусной кислоты уменьшает активную реакцию среды рН до 6,5-6,0 что приводит к снижению активности бактерий, участвующих в первой фазе брожения. Происходит так называемое «закисание» среды. Применением ультразвука позволило снизить процесс «закисания» до рН=6,4 [110].

Во второй (метановой) фазе метановые бактерии разлагают образовавшиеся кислоты, в результате чего выделяется метан и углекислый газ. При этом рН повышается до 6,7-7,5. Метанообразующие бактерии сбраживают, кроме названных веществ, этиловый спирт и многие другие соединения. При прочих равных условиях ультразвук позволяет быстрее достичь оптимальной рН до уровня 6,8 -7,5, при выделение происходит максимальное выделение биогаза.

Таблица 6

Обработанного ультразвуком		Не прошедшего обработку
Т, сут	рН_ср	Т, сут	рН_ср
0	6,8	0	6,8
5	6,45	5	6,1
10	6,8	10	6,2
15	7,2	15	6,4
20	7,4	20	6,9
25	7,5	25	7
30	7,6	30	7,2
35	7,7	32	7,3

Рис. 20 Изменение рН-среды в зависимости от времени в процессе сбраживания

Проведенная работа показала (рисунок 20), что оптимальный рост метаногенных бактерий происходит при рН = 7,2 (в диапазоне значений 6,8 ÷7,6). рН среды на рост кислотообразующих бактерий влияет сравнительно мало.

3.2 Результаты исследовании протекания биохимических процессов при сбраживании

На основе совокупности данных, полученных в результате исследований, проведенных на лабораторной установке с термокамерой при периодическом сбраживании, было определено количество биогаза, образующего из субстрата (жидкого навоза крупного рогатого скота). Показатели, характеризующие выход биогаза за время 35-дневного брожения при психофильном режиме, приведены в таблице 7.

Таблица 7

Результаты эксперимента

Выход биогаза из водного органического субстрата КРС
№ опыта	Обработанного ультразвуком разрядом		Не прошедшего обработку
№ опыта	Т, сут	Выход биогаза Q, м³´10^-3	Т, сут	Выход биогаза Q, м³´10^-3
1	0	0	0	0
	5	2,1	5	0
	10	2,8	10	0,3
	15	3,5	15	1,2
	20	7,4	20	2,92
	25	10,3	25	2,8
	30	13,1	30	2,3
	35	9,3	35	2
2	0	0	0	0
	5	2,1	5	0
	10	2,3	10	0,1
	15	2,8	15	0,8
	20	8,2	20	1,8
	25	11,5	25	2,6
	30	13,9	30	2,1
	35	10,1	35	1,7
3	0	0	0	0
	5	1,5	5	0
	10	1,7	10	0,5
	15	2,1	15	0,65
	20	7,5	20	1,6
	25	11,7	25	2,32
	30	14,5	30	1,85
	35	8,6	35	1,1

На рисунке 21 представлены результаты статистической обработки графиков выхода биогаза из органического субстрата, не прошедшего обработку и обработанного ультразвуком.

Рис.21 Выход биогаза из водного органического субстрата КРС

Из приведенных зависимостей видно, что выход биогаза из органического субстрата жидкого навоза КРС, обработанного ультразвуком, больше, чем из не прошедшего обработку

Анализ полученных данных указывает на очень медленный процесс разложения субстрата и на малый выход биогаза при существующем технологическом процессе кривая без ультразвука (рис.21). Активация ультразвуком органического субстрата, позволяет увеличить в 4 раз выход биогазовой смеси, по сравнению с естественным процессом кривая при воздействии ультразвука.

Из графика (рис.21) так же видно в интервале 5÷10 дней выход биогаза снижается, что обусловлено «закислением» субстрата. Из анализа выроботки биогаза обработаного ультразвуком и без ультразвука следует, что в первом случае выроботка биогаза возрасла.

Для теоретического исследования кривых выхода биогаза, полученных в результате экспериментов, выявим регрессионные зависимости.

С помощью функции Microsoft Excel определим расчетом регрессионные зависимости и проанализируем уравнения, характеризующие полученные кривые. Функция рассчитывает статистику ряда с применением метода наименьших квадратов, чтобы вычислить зависимость, которая наилучшим образом описывает полученные экспериментальные данные.

Аппроксимация линии выхода биогаза:

Для органического субстрата не прошедшего обработку:

(20)

Для органического субстрата, обработанного ультразвуком:

(21)

Как видно из графика (рис .21), наиболее интенсивное выделение биогаза происходит при обработке субстрата ультразвуком.

Определим максимальное значение входа биогаза в обоих случаях. Для этого найдем первую производную регрессионных уравнений.

Регрессионные уравнения

Для органического субстрата не прошедшего обработку:

(20)

Для органического субстрата, обработанного ультразвуком:

(21)

где у₁, у₂ – это выход биогаза из водного органического субстрата, соответственно, необработанного и подвергнутого обработке ультразвуком, м³ (Q);

х – время сбраживания, сут. (t)

Исследуя коэффициенты по методу Фишера на значимость, приходим к выводу, что коэффициентами третей степени пренебречь нельзя, так как, в случае пренебрежения, стандартные значения ошибок для коэффициентов велики и превышают допустимые. Учитывая коэффициенты третей степени, получаем коэффициенты детерминации, близкие к единице в обоих случаях, = 0,8929 (для необработанного субстрата) и = 0,9188 (для обработанного ультразвуком субстрата). Полученные коэффициенты детерминации говорят о большой корреляции с моделью, т.е. нет существенного различия между фактическим и оценочным значениями выхода биогаза, Q, м³.

Вычислив производные уравнений (20) и (21), получим скорость выхода биогаза из водного органического субстрата:

(23)

(24)

Основываясь на полученных уравнениях, можно построить график скорости выхода биогаза из водного органического субстрата (рис. 22).

Рис. 22 Скорость выхода биогаза из водного органического субстрата

Из графика (рис.22) видно, что 23 сут. - оптимальный цикл сбраживания органических отходов при температуре t=25 °С. По окончании цикла наблюдается резкий спад скорости выхода биогаза. Таким образом, через 23 сут. необходимо снова загрузить органические отходы в реактор. Делать новую загрузку до полного окончания цикла сбраживания не целесообразно, оптимально через 23 дней, так как это обеспечит более равномерный выход биогаза без существенного уменьшения скорости выхода. Можно сделать вывод, что регрессионный анализ подтверждает экспериментальные данные.

Выводы

Воздействие высоковольтного импульсного разряда позволяет изменять pН, что оказывает влияние на направление и скорость выхода биогаза из водного раствора органического субстрата.
Подтвержден факт увеличения выхода биогаза в 4 раз при обработке органического субстрата ультразвуком, чем без применения ультразвуковой обработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ литературных источников свидетельствует о возрастании интереса к способам переработки органических отходов с целью получения биогаза и удобрений. Существующие технологические процессы получения биогаза не исчерпывают потенциальные возможности биомассы; выход биогаза при существующем технологическом процессе не превышает 3 м³ с 1 м³ метантенка. Поэтому научный интерес представляет разработка новой технологии переработки органических отходов, основанная на использовании ультразвука в процессе сбраживания субстрата, позволяющая увеличить выход биогаза.
Разработан способ и изготовлена экспериментальная биогазовая установка с системой ультразвуковых погружных излучателей, позволяющая интенсифицировать процесс анаэробной переработки органических отходов животноводства.
Воздействие ультразвука позволяет изменять рН, что оказывает влияние на направление и скорость выхода биогаза.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Шомин А.А. Биогаз на сельском подворье. - Харьков: Балаклея: ИИК «Балаклейщина», 2002. - 68 с.

2 В.С. Шевелуха, Е.А. Калашникова, Е.З. Кочиева. Сельскохозяйственная биотехнология. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2008. - 710 с.

3 Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика . - М.: Колос, 1982. - 184 с.

4 Тихонравов В. С.Т Ресурсосберегающие биотехнологии производства альтернативных видов топлива в животноводстве: науч. аналит. обзор. – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. – 52 с.

5 Добрынина, О. М. Технологические аспекты получения биогаза / О.М. Добрынина, Е.В. Калинина // Вестник ПГТУ /Пермский гос. техн. ун-т. - 2010. - № 2- С. 33-40.

6 Панцхава Е.С., Беренгартен М.Г., Вайнштейн С.И. Биогазовые технологии. Проблемы экологии, энергетики, сельскохозяйственного производства . - М.: Московский государственный университет инженерной экологии, ЗАО «Центр «Экорос», 2008. - 217 с.

7 Королев С.А. Майков Д.В. Индентификация математической модели и исследование различных режимов метаногенеза в мезофильной среде. // Компьютерное иследование и моделирование-2012.-Т.4.№1-С.131-141

8 Веденев А.Г., Веденеева Т.А. Руководство по биогазовым технологиям.–Бишкек: ДЭМИ, 2011. –84 с.

9 Обозов А.Дж., Ботпаев Р.М. Возобновляемые источники энергии. – Бишкек, 2010 г. – 218 с.

10 Капустин В. П. Обоснование способов и средств переработки бесподстилочного навоза. - Тамбов: Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. - 80 с.

11 Сатьянов С.В. Повышение эффективности биоустановок путем получения альтернативной энергии и биоудобрений: дис. ... канд. тех. наук: 05.20.01. - М., 2011. - 158 с. - 04201158468

12 ОАО «Башгипроагропром». Переработка отходов животноводческих и птицеводческих комплексов и ферм в эффективные биологические удобрения и энергию. Рекомендации. - Уфа: 2011. - 80 с.

13 Геммеке Бурга, Ригер Криста, Вайланд Петер. Биогаз на основе возобновляемого сырья. Сравнительный анализ шестидесяти одной установки по производству биогаза в Германии. - Гюльцов, Германия: Специальное агентство возобновляемых ресурсов (FNR), 2010. - 115 с.

14 Трухачев В. И., Капустин И. В., О. Г. Ангилеев О. Г., Гребенник В. И. Технологии и технические средства в животноводстве. - Ставрополь: АГРУС, 2005. - 304 с.

15 Биогаз: основные характеристики и технология получения // URL: http://biogas-energy.ru/biogas (дата обращения: 15.03.2013).

16 Wellinger A., Murphy J. The biogas handbook. Woodhead Publishing Limited, 2013. - 512 р.

17 Фокина Д., Хитров А.Н. Переработка навоза в биогаз. - М.: ВНИИТЭИСХ, 1981. - 48 с.

18 Койбагаров С.Х., Толеуов С.Е., Зарыкбаева К.С. Биогазовые установки. Перспективы и развитие:Аналитический обзор. – Усть-Каменогорск.: ВКФ «НЦНТИ», 2013. - 66 с.

19 Кок У.Е. Звуковые и световые волны. - М.: Мир, 1966. - 157 с.

20 Жумагажинов А.Т, Койбагаров С.Х. Применение ультразвуковых колебаний для ускорения процесса анаэробного брожения органических отходов // Научная дискуссия: вопросы технических наук. № 10 (12): сборник статей по материалам XV международной заочной научно-практической конференции. - М.: Международный центр науки и образования, 2013. - С. 52-56.

21 Физические основы применения ультразвука в медицине и экологии / Шиляев А. С., Кундас С. П., Стукин А. С., Под ред. Кундаса С. П. - Минск: МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2009. - 110 с.

22 Азарова А.Ю., Дулин В.М., Д.М. Маркович Д.М., Первунин К.С. Влияние кавитации на турбулентные характеристики течений при обтекании тел // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. - 2010. - №2. - С. 173-179.

23 Маринченко В.А., Кислая Л.В., Исаенко В.Н., Антонов А.В., Усенко В.А. Влияние ультразвуковой обработки солодового молока на его состав и качество зрелой бражки // Ферментная и спиртовая промышленность. - 1987. - №5. - С. 28-30.

24 Кухаренко А.А., Сорокодумов С.Н., Сорокодумова С.В. Подготовка сырья ультразвуком при производстве этилового спирта // 3 Международная научно-практическая конференция, посвященная 70-летию создания ВНИИ пищевой биотехнологии "Научно-технический прогресс в спиртовой и ликероводочной отрасли промышленности. - М.: Пищ. пром-сть, 2001. - С. 114-118.

25 Rolfe G., Defren G. Ultrasonics. J. Am. Chem.Soc., 1996, Vol.18. - 809 р.

26 Агранат Б.А. Основы физики и техники ультразвука. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.

27 Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. - М.: Химия, 1983. - 192 с.

28 Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. - Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997.

29 Чепурная И.М., Юрьев Д.Н., Данько С.Ф., Ратников А.Ю., Егоров В.В. Влияние ультразвука на прорастание семян ячменя // Вопросы физ.-хим. биологии в ветеринарии. - М.: 1999. - С. 63-64.

30 Ультразвуковые процессы и аппараты в биологии и медицине // URL: http://www.uzo.matrixplus.ru/ultramedbio.htm (дата обращения: 12.02.2014).

31 Кулмырзаев А.А., Мачихин С.А., Дюшеева А.Д. Высокочастотный ультразвук в исследовании реологических свойств вязких материалов. // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 3. - С. 23-26

32 Хмелев В. Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности. Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 203c.

33 Шиляев, А. С. Ультразвук в науке, технике и технологии. Гомель: Институт радиологии, 2007. - 412 с.

34 Brian Lempriere Ultrasound and Elastic Waves. Academic Press. 2002. 350р.

35 Кухаренко А.А. Ультразвуковая предподготовка растительного сырья в производстве этанола // Аграрная наука. - 2000. - №3. - С. 30-34.

36 Булычев Н.А. Наноструктурные основы взаимодействия высокомолекулярных соединений с межфазной поверхностью в дисперсных системах под действием ультразвука: дис. ... д-р. хим. наук: 02.00.04, 02.00.06.. - М., 2011. - 421 с.

37 Акопян, В. Б. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами: Ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. -224 с.

38 Эльпинер И.Е. Биофизика ультразвука. - М.: Наука, 1973. 384 с.

39 Влияние ультразвукового облучения и регуляторов роста на ризогенную активность растительных объектов // URL: http://selo-delo.ru/12-vliyanie-ultrazvukovogo-oblucheniya (дата обращения: 14.12.2013).

40 Dale Ensminger, Leonard J. Bond. Ultrasonics: Fundamentals, Technologies, and Applications, Third Edition (Dekker Mechanical Engineering). Marcel Dekker Inc, 2011. - 765 р.

41 Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. - 3-е изд. - М.: Высшая школо, 2000. - 479 с.

42 Juan A. Gallego-Juárez, Enrique Riera.Technologies and Applications of Airborne Power Ultrasound in Food Processing.Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing. Food Engineering Series 2011, pp 617-641

43 Capelo J.L., Ximenez -Embun P., Madrid -Albarran Y., Camara C. Enzymatic probe sonication: enhancement of protease - catalyzed hydrolysis of selenium bound to proteins in yeast. - Anal. Chem., 2004, Jan 1;76 (l), p. 233 -237

44 Прохоренкова Г.К. Интенсификация процесса приготовления пивною сусла с применением электрофизических методов: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.07.. - М., 1984. - 123 с.

45 Атрощенко Е.Э. Действие ударно-волновой обработки семян на морфологические особенности и продуктивность растений: автореф. дис. ... канд. биолог. наук: 03.00.12.. - М., 1983. - 214 с.

46 Голубева Н.В., Чичерова Л.С. Опыт использования ультразвуковых технологий на хлебозаводе // Хлебопечение России. - 2000. - №5. - С. 12

47 Розинберг Л.Д. Применение ультразвука. - М.: Изд. АН СССР, 1957. - 180 с.

48 Смирнова И.В. Интенсификация технологии спирта с использованием ультразвука в процессе водно-тепловой обработки: дис. ... канд. тех. наук: 05.18.07. - М, 2007. - 141 с.61 07-5/5274

49 Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. Пер. с англ. В 2-х частях. Ч. 2. - М.: Мир, 1989. - 692 с.

50 Прутенская, Е.А. Использование ультразвука в химии и биотехнологии: учебное пособие. - 1-е изд. - Тверь: ТГТУ, 2011. - 92 с.

51 Сироткин А.С., Шагинурова Г.И., Ипполитов К.Г. Агрегация микроорганизмов: флокулы, биопленки, микробные гранулы. - Казань: Издательство "ФЭН" АН РТ, 2007. - 164 с.

52 Sridhar Pilli, Puspendu Bhunia, Song Yan, R.J. LeBlanc, R.D. Tyagi, R.Y. Surampalli Ultrasonic pretreatment of sludge: A review // Ultrasonics Sonochemistry. - January 2011. - Volume 18, Issue 1. - Pages 1-18.

53 Систер В.Г., Киршанкова Е.В. Эффекты ультразвукового воздействия на процесс электрокоагуляционной очистки сточных вод влажной ("аква") чистки изделий // Московская наука - проблемы и перспективы: Матер. IV научн.-практич. конф. - М.: ОАО «МКНТ», 2003. - С. 236-242.

54 Susan S. Prohaska, Virginia G. Rimer, Daniel Tusé, Gordon T. Pryor, Peter D. Edmonds Conservation of bactericidal activity in ultrasound-exposed murine peritoneal phagocytic cells // Ultrasound in Medicine & Biology. - 1992. - Volume 18, Issues 6–7. – рр 601-606.

55 Сорока С.А. Влияние акустических колебаний на биологические объекты // Вибрация в технике и технологиях. - 2005. - №1. - С. 39-41.

56 Daniela Bermúdez-Aguirre, Tamara Mobbs, Gustavo V. Barbosa-Cánovas Ultrasound Applications in Food Processing // Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing. Food Engineering Series. - 2011. - рр. 65-105.

57 Vasilyak L. M. Ultrasound application in systems for the disinfection of water // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. - October 2010. - Volume 46, Issue 5. - pp 489-493 .

58 Yih-Juh Shiau, Chien-Young Chu Comparative effects of ultrasonic transducers on medium chemical content in a nutrient mist plant bioreactor // Scientia Horticulturae. - February 2010. - Volume 123, Issue 4. - рр 514-520.

59 Применение ультразвука в медицине: Физические основы / Миллер Э., Хилл К., Бэмбер Дж., Дикинсон Р., Фиш П., тер Хаар Г. , Под ред. тер Хаар Г. . - М.: Мир, 1989. - 568 с.

60 P Piyasena, E Mohareb, R.C McKellar. Inactivation of microbes using ultrasound: a review // International Journal of Food Microbiology. - November 2003. - Volume 87, Issue 3. - Pages 207-216.

61 Laporte R., Loiseleus J. Sur le degre de resistans des souchens de bacillus tuberculeux a la dewntegration par les ultrasons. - Annales de i’Institut Pasteur, Volume 71, Issue 5, May 2005, Pages 375-382

62 Hompesch H. Biochemische Ultersuchungen über die Ultraschalleinwirkung auf Bacterien. Zentralblatt für Bactériologie, parasitenkunde , Infektionskrankheiten und Hygiene, Volume 5, 2001, Pages 159-615.

63 Hesselberg J. Investigations on the effect of ultrasonics an "bacteria. Trans of the 10 Scandinavian congress. Asta pathologica et microbiologica Scandinavica, Volume 93, 2002, Pages 389-392.

64 Rouyer M., Grabar P., Prudhommer R. Action des ultrasons sur les antigunes, Congres International de Microbiologie de Copenhaugue, 2007, Pages 142 -145.

65 P.W.H.K.P Daulagala, E.J Allan. L-form bacteria of Pseudomonas syringae pv. phaseolicola induce chitinases and enhance resistance to Botrytis cinerea infection in Chinese cabbage. Physiological and Molecular Plant Pathology, Volume 62, Issue 5, May 2003, Pages 253-263

66 Hurwitz C.V., Reiner J.M., Lamdan J.V. Studies in the physiology and biochemistry of penicillum-inducell spheroplasts of Escherichia coli. Journal of Bacteriology, Volume 76, 2008, Pages 612-624

67 Harme D. The effect of ultrasonis waves upon Klebsialla pneumoniae, Saccharomyces cerevisial, Miyagawauella Fellis und In-fluenze virus A. Journal of Bacteriology, Volume 7, 2009, Pages 279 -286.

68 B Mwenya, B Santoso, C Sar, Y Gamo, T Kobayashi, I Arai, J Takahashi.Effects of including β1–4 galacto-oligosaccharides, lactic acid bacteria or yeast culture on methanogenesis as well as energy and nitrogen metabolism in sheep Animal Feed Science and Technology, Volume 115, Issues 3–4, 2 August 2004, Pages 313-326

69 Гнутенко.М.П., Штромбергер Л.В., Гумилевская Л.Г. Влияние ультразвука на Schizosaccharomyces acidodevoratus // Микробиология. - 1996. - №5. - С. 556-558.

70 Шестаков С.Д., Красуля О.Н. Исследования и опыт применения сонохимических технологий в пищевой промышленности // Электронный журнал "Техническая акустика". - 2010. - №10. - С. 1-10.

71 Mel R. Vihithes How Food ultrasohies Are Shaping. Food engineering, Volume 5, 2005, Pages 18-26.

72 Зубарев А.Р., Григорян Р.А. Ультразвуковое ангиосканирование . - М.: Медицина, 1990. - 176 с.

73 T. N. Pashovkin, D. G. Sadikova, M. S. Pashovkina, G. V. Shil’nikov. Use of ultrasonic standing wave in biological studies and cell technologies. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. July 2007, Volume 144, Issue 1, pp 118-122

74 Зубченко, В. С., Вітряк, О. П., Ткаченко, Л. В. Вплив ультразвукової обробки на стійкість напоїв бродіння // Харчова промисловість. -2008.- № 7.- С.51–53.

75 Балдаев Радж, В. Раджендран, П. Паланичами Применения ультразвука. - М.: Издательство Техносфера, 2006. - 876 с.

76 Shi Lanchun, Wang Bochu, Li Zhiming, Duan Chuanren, Dai Chuanyun, A Sakanishi. The research into the influence of low-intensity ultrasonic on the growth of S. cerevisiaes Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Volume 30, Issues 1–2, 1 July 2003, Pages 43-49

77 Lin Ma, Zhiwu Xu, Kun Zheng, Jiuchun Yan, Shiqin Yang. Vibration characteristics of aluminum surface subjected to ultrasonic waves and their effect on wetting behavior of solder droplets. Ultrasonics, Volume 54, Issue 3, March 2014, Pages 929-937

78 Дятлова Е.Н, Кольцова И.С. Экспериментальное исследование скорости ультразвука в дисперсных средах // Акустический журнал. - Январь 2002. - том 48, выпуск 1. - С. 46-49.

79 71 Антушева Т.И. Некоторые особенности влияния ультразвука на микроорганизмы // «Живые и биокосные системы». – 2013. – № 4; URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-4/article-11 (дата обращения: 14.01.2013).

80 G.D. Betts, A. Williams, R.M. Oakley. Ultrasonic Standing Waves: Inactivation of Foodborne Microorganisms Using Power Ultrasound. Encyclopedia of Food Microbiology (Second Edition), 2014, Pages 659-664

81 Wesley L. Nyborg. Biological effects of ultrasound: Development of safety guidelines. Part II: General review. Ultrasound in Medicine & Biology, Volume 27, Issue 3, March 2001, Pages 301-333

82 Hesselberg J. Investigations on the effect of ultrasonics an bacteria. The decisiverole of the cavitation. Asta pathalo-gica et microbiologica Scandinavica, Volume 111, 2006, Pages 134-136.

83 Horton J.P. The effect of intermolecularbond strength an the onset of cavitation. Journal of the Acoustical Society of America, 2013, Pages 480-492.

84 Howood M.P., Horton J.P., Minch V.A. Factors influencing bactericidal action of ultrasonics waves. Journal of the Ame-rical Water Works Association, Volume 4, 2011, Pages 153-168.

85 Pablo Spoleti, Martha Siragusa, María Julia Spoleti. Bacteriological Evaluation of Passive Ultrasonic Activation. Journal of Endodontics, Volume 29, Issue 1, January 2003, Pages 12-14

86 Цоглин Л.Н., Пронина Н.А. Биотехнология микроводорослей. - М.: Научный Мир, 2012. - 182 с.

87 Сорока С.А. Влияние акустических колебаний на биологические объекты // Вибрация в технике и технологиях. - 2005. - №1. - С. 39-41.

88 Антонов В.Ф. Биофизика. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. - 288 с.

89 Бодрова О.Ю., Кречетникова А.Н. Активирующий и дезинтегрирующий эффекты ультразвуковой обработки микроорганизмов // История науки и техники. - Уфа: 2006. - С. 51-54.

90 Караева Ю.В., Трахунова И.А. Обзор биогазовых технологий и методов интенсификации процессов анаэробного сбраживния//Труды Академэнерго. - 2010. - №3. - С.109-127

91 Sami Luste, Sari Luostarinen Enhanced methane production from ultrasound pre-treated and hygienized dairy cattle slurry. Waste Management, Volume 31, Issues –10, September–October, 2011, Pages 2174-2179

92 Patrick Braeutigam, Marcus Franke, Bernd Ondruschka Effect of ultrasound amplitude and reaction time on the anaerobic fermentation of chicken manure for biogas production. Biomass and Bioenergy, Volume 63, April 2014, Pages 109-113

93 L. Castrillón, Y. Fernández-Nava, P. Ormaechea, E. Marañón Optimization of biogas production from cattle manure by pre-treatment with ultrasound and co-digestion with crude glycerin Bioresource Technology, Volume 102, Issue 17, September 2011, Pages 7845-7849

94 G. Quiroga, L. Castrillón, Y. Fernández-Nava, E. Marañón, L. Negral, J. Rodríguez-Iglesias, P. Ormaechea. Effect of ultrasound pre-treatment in the anaerobic co-digestion of cattle manure with food waste and sludgeOriginal Research Article Bioresource Technology, Volume 154, February 2014, Pages 74-79

95 Alessandra Cesaro, Silvana Velten, Vincenzo Belgiorno, Kerstin Kuchta. Enhanced anaerobic digestion by ultrasonic pretreatment of organic residues for energy production. Journal of Cleaner Production, In Press, Corrected Proof, Available online 20 March 2014

96 Alessandra Cesaro, Vincenzo Naddeo, Valeria Amodio, Vincenzo Belgiorno. Enhanced biogas production from anaerobic codigestion of solid waste by sonolysis. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 19, Issue 3, May 2012, Pages 596-600

97 G. Erden, N. Buyukkamaci, A. Filibeli. Effect of low frequency ultrasound on anaerobic biodegradability of meat processing effluent Desalination, Volume 259, Issues 1–3, 15 September 2010, Pages 223-22

98 Кирюшатов А.И. Использование нетрадиционных возобновляющихся источников энергии в сельскохозяйственном производстве. - М.: Агро-промиздат, 1991. - 96 с.

99 Романов Е.М., Нуреева Т.В., Мухортов Д.И. Лесные культуры. Производство нетрадиционных органических удобрений в лесных питомниках. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - 156 с.

100 Бадмаев Ю.Ц. Методика расчёта оптимальной дозы загрузки биореактора при анаэробном сбраживании навозных стоков // Вестник Бурятского университета. Сер. 9. Физика и техника. Вып. 5 . - Улан-Удэ: Изд-во Бурятского гос.ун-та, 2006. - С. 210-214.

101 Физико-химические методы анализа: методическое пособие по дисциплине «Аналитическая химия» для студентов экологических и химико- технологических специальностей / Баев А.К., Свирко Л.К., Копылович М.Н., - М.: МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2005. - 55 с.

102 Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 кн. Кн. 2. Физико-химические методы анализа: Учеб. для студ. вузов, обучающихся по химико-технол. спец.. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2002. - 384 с.

103 Основы планирования научно-исследовательского эксперимента Учебное пособие / Аугамбаев М., Иванов А., Терехов Ю. , Под ред. д.т.н., профессора Рудакова Г.М. . - Ташкент: Укитувчи, 2004. - 336 с.

104 Миндубаев А.З., Минзанова С.Т., Скворцов Е.В. Оптимизация параметров выработки биогаза в лабораторном масштабе // Вестник Казанского технологического университета. - 2009. - №4. - С. 233 – 239

105 Фёрстер Э., Рёнц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа: Руководство для экономистов. Пер. с нем. Ивановой. - М.: Финансы и статистика, 1983. - 302 с.

106 Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Справочник. - М.: Металлургия, 1991. - 752 с.

107 Хмелев В.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности. - Барнаул: АлтГТУ, 2007. - 416 с.

108 Голямина И.П..Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.:Советская энциклопедия,1979. — 400 с.

109 Майер В.В. Простые опыты с ультразвуком. - М.: Наука, 1978. - 160 с.

110 Костромин Д.В. Анаэробная переработка органических отходов животноводства в биореакторе с барботажным перемешиванием: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01. . - М., 2010. - 18 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Скачать: zhumagazhinov_a.t._mag._dissertaciya.docx

Категория: Дипломные работы / Дипломные работы по физике

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Привет студент

ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ БИОГАЗА ИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ПРИ ПОЛУЧЕНИИ БИОГАЗА ИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Основные факторы, влияющие на процесс и продукты анаэробной переработки органических отходов

1.2 Анализ технологических и технических решений для получения биогаза

1.3 Ультразвуковая обработка сырья

1.3.1 Факторы, влияющие на эффект ультразвуковой кавитации

1.3.2 Физико-химическое действие ультразвука на биомакромолекулы

1.4. Влияние ультразвука на микроорганизмы

1.4.1. Разрушающее действие ультразвука

1.4.2. Интенсификация жизнедеятельности микроорганизмов

1.5 Зарубежный опыт обработки органических отходов ультразвуком

Выводы

Постановка вопроса, цель и задачи исследований

2 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Этапа проведения эксперементов

2.2 Экспериментальная установка

2.3 Методика потенциометрии для определения рН

2.4 Математическая обработка результатов экспериментальных исследований

2.5 Разработка погружного ультразвукового излучателя для обработки биогаза

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Определение рН водного органического субстрата

3.2 Результаты исследовании протекания биохимических процессов при сбраживании

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Привет студент