анаэробная переработка органических отходов животноводства в биореакторе с барботажным

В случае, когда значение рН

(9)

В результате, модели роста биомассы и субстрата в дифференциальной форме запишутся в виде:

(10)

(11)

где k0 - экспоненциальная скорость роста бактериальной культуры; x - концентрация субстрата; xs - коэффициент потенциальной метаболической активности (пороговая константа Моно); xi - константа ингибирования.

Используя критерий стабильности процесса сбраживания: и вводя - коэффициент использования субстрата за период роста, система уравнений (10) и (11) преобразуется в уравнение, характеризующее работу биотехнологической системы с ингибиторами, находящимися в ионизированной форме:

(12)

где X – концентрация биомассы, t – время.

Математическая модель процесса анаэробной переработки обеспечивает возможность проведения расчетов параметров анаэробной биологической системы переработки органических отходов животноводства в биореакторе с барботажным перемешиванием.

В заключении составлен тепловой баланс биореактора с барботажным перемешиванием, учитывающий положительный энергобаланс при производстве товарного биогаза при анаэробной переработке органических отходов животноводства.

Таким образом, получены уравнения, описывающие движение субстрата, теплообмен и биохимические характеристики в биореакторе в процессе барботажного перемешивания.

В третьей главе «Методика исследования», в соответствии с задачами теоретических исследований, приведены описания экспериментальной установки, разработана программа, методика проведения исследования, обработка опытных данных и оптимизация параметров барботажного перемешивания при анаэробной переработке органических отходов животноводства с учетом факторов, оказывающих наибольшее влияние.

Для проведения исследований были выбраны наиболее распространенные в регионе и отвечающие технологическим требованиям на компостирование навозные стоки животноводческого комплекса КРС.

Концентрация сухого вещества и сухого органического вещества, зольность, кинематическая вязкость и поверхностное натяжение сбраживаемого субстрата, рН среды, концентрации биомассы и летучих органических кислот определялись по общепринятым методикам с использованием лабораторного оборудования.

Исследования процесса анаэробной переработки проводили в мезофильном режиме при температуре 306…308К. Для исследования процесса теплообмена при сбраживании была смонтирована экспериментальная установка с барботажным перемешивающим устройством.

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рис. 2), состоящая из биореактора 1, водонагревательного котла 2 для задания и поддержания требуемой температуры в реакторе, с автоматическим регулированием количества выделяемого тепла, газгольдера 3 для сбора, хранения и нагнетания давления биогаза для перемешивания, барботажного перемешивающего устройства 4, позволяет оценивать все параметры получаемого теплообмена на всех этапах переработки, а так же контролировать микробиологические параметры.

Определение свойств сбраживаемого субстрата, оптимальных режимов и параметров барботажного перемешивания и анаэробной переработки производились с использованием математической теории планирования эксперимента.

Доверительная вероятность при оценке моделей принята 95 %. Значимость отдельных коэффициентов регрессии производилась независимо, с помощью критерия Стьюдента. Для проверки гипотезы об адекватности моделей использовали критерий Фишера.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» в соответствии с поставленными задачами исследованы теплообмен и биохимические характеристики в биореакторе в процессе барботажного перемешивания.

На первом этапе экспериментальных исследований определены кинематическая вязкость и поверхностное натяжение сбраживаемого субстрата в зависимости от температуры и концентрации сухого вещества.

Рисунок 3. Зависимость кинематической вязкости и поврехностного натяжения от температуры и содержания сухого вещества.

Поверхности отклика показывают (Рис. 3), что оба параметра зависят как от содержания сухого вещества (СВ), так и от температуры (Т). Регрессионный анализ экспериментальных данных позволил получить эмпирические формулы для определения кинематической вязкости () и поверхностного натяжения ():

, м2/с 10-6 (13)

, Н/м 10-3 (14)

Для определения распространения теплоты в стационарных условиях и определения температурной неоднородности сбраживаемого субстрата, в следствии коллоидно-полидисперсионного состава среды, на втором этапе экспериментальных исследований были проведены измерения температуры на разных расстояниях от стенки поверхности нагрева при свободном распространении теплоты.

В результате относительная стабилизация температур происходит на расстоянии 65-85 мм при содержании СВ 8 %. Наблюдается значительный температурный градиент 8…10 К между теплообменной рубашкой и сбраживаемым субстратом. Причем, основной перепад температур наблюдается в пределах этого теплового пограничного слоя. Внутри объема сбраживания происходит выравнивание температуры и она приобретет однородность. При увеличении содержания СВ до 18% в сбраживаемом субстрате тепловой пограничный слой увеличивается до 0,24м.

Для описания процесса распространения теплоты в объеме сбраживаемого субстрата без перемешивания, ввиду наличия высокого теплового пограничного слоя, использовалось критериальное уравнение, учитывающее различия полей температур, вязкости и толщины пограничного слоя при нагревании. Проведенные исследования и использование пакета статистической обработки данных STATISTICA 6.0 для регрессионного анализа эксперимента позволили получить уравнение, описывающее процесс распространения теплоты в сбраживаемом субстрате от теплообменной стенки биореактора для геометрически подобных реакторов:

(15)

Анализ показывает, что при высокой концентрации СВ (>10%) теплообмен происходит в ограниченном пространстве и силы внутреннего взаимодействия частиц сбраживаемого субстрата уравновешивают подъемную силу свободного движения вблизи поверхности теплоносителя. Передача теплоты естественной конвекцией в сбраживаемом субстрате, в пределах теплового пограничного слоя затрудняется, и распространение теплоты происходит теплопроводностью. При этом, =32 Вт/м2·К, максимальный выход биогаза составил 0,4 м3 с кг СОВ при концентрации СВ в сбраживаемом субстрате 13%.

Для выявления влияния барботажного перемешивания на интенсификацию теплообмена в биореакторе на третьем этапе рассмотрены процессы вынужденного движения и исследована интенсивность теплообмена между горизонтальным цилиндром и средой – для геометрически подобных реакторов.

Выявлено, что наиболее интенсивное перемешивание происходит при скорости движения среды близкой к максимально допустимой – 0,4 м/с. При барботажном перемешивании сбраживаемой среды с указанной выше скоростью, после 120-140 секунд перемешивания достигается требуемая температурная однородность, соответствующая технологическим требованиям процесса сбраживания.

Экспериментальные данные обрабатывались согласно полученному критериальному уравнению (8). Для инженерных расчетов трубчатых биореакторов с системой барботажного перемешивания получено рабочее уравнение, учитывающее влияние технологических парметров системы на коэффициент теплоотдачи:

(16)

При этом, = 85 Вт/м2·К, максимальный перепад температуры 2 К, при концентрации СВ в сбраживаемом субстрате 13%.

С целью выявления положительного эффекта от барботажного перемешивая на процесс анаэробной переработки органических отходов животноводства, в работе были проведены комплексные исследования его технологических параметров.

Рисунок 4. Изменение концентрации биомассы X

в зависимости от продолжительности сбраживания

Рисунок 5. Влияние наличия барботажного перемешивания в процессе анаэробной переработки органических отходов животноводства на

а) концентрацию беззольного вещества

б) рН среды

в) концентрацию летучих органических кислот

При отсутствии перемешивания процесса развивается по модели ингибирования Андреу, а процесс барботажного перемешивания позволяет сбраживаемой среде приближать развитие культуральной среды по модели Моно (Рис. 4). Наращивание максимальной концентрации биомассы до 0,8г/л при этом ускорилось на 20 часов по сравнению со стационарным режимом сбраживания.

Для оценки эффективности применения барботажного перемешивания определялась концентрация беззольного вещества, концентрация летучих органических кислот, рН среды в сбраживаемом субстрате (Рис 5).

Снижение концентрации беззольного вещества до уровня в 16 г/л, для сбраживания с барботажным перемешиванием составило 22 дня, без перемешивания – 30 дней, дальнейшее проведение процесса является нецелесообразным, поскольку значительного снижения концентрации не происходит. Оптимальный рост метаногенных бактерий происходит при рН = 7 (в диапазоне значений 6,8 -7,2). На рост же кислотообразующих бактерий, как показывает концентрация летучих органических кислот, рН-среды влияет сравнительно мало.

Таким образом, при оптимальном режиме сбраживания и однородном температурном поле, в результате применения барботажного перемешивания, удельный выход биогаза с 1 кг СОВ составил 0,75 м3, а период сбраживания снизился на 25 %.

На основании полученных данных разработана комплексная технологическая линия для анаэробной переработки органических отходов животноводства с получением качественных продуктов в виде биогаза, идущего на получение электрической энергии и высококачественного органического удобрения. Данная технологическая линия, помимо получения прямых продуктов, позволяет решать задачи обеспечения охраны окружающей среды и санитарно-гигиенического благополучия животноводческого комплекса.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность выполненных исследований» приведена методика расчета системы анаэробной переработки органических отходов животноводства и определена ее эффективность.

В основу расчета экономической эффективности положен принцип сравнения биогазовой установки с барботажным перемешивающим устройством и без него. Эффективность применения новой технологической линии по переработке органических отходов составила 181,1 тыс. руб/год, срок окупаемости 1,4 г. При этом обеспечивается полное уничтожение семян сорных трав, обеззараживание и улучшение экологической обстановки в районе животноводческой фермы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментально изучены и определены кинематическая вязкость и поверхностное натяжение субстрата на основе органических отходов животноводства, которые могут быть использованы в качестве справочных характеристик при расчетах использования процесса барботажного перемешивания в анаэробных биореакторах.
2. Разработана конструкция биореактора с барботажным перемешиванием, позволяющая интенсифицировать процесс анаэробной переработки органических отходов животноводства: свести к минимуму температурную неоднородность и отводить ингибирующие продукты жизнедеятельности бактерий.
3. Разработанная математическая модель процессов теплообмена и ингибирования биологической активности в анаэробно сбраживаемом субстрате на основе органических отходов животноводства, а так же энергобаланс биогазовой установки на базе биореактора с барботажным перемешиванием позволяют производить расчеты технико-технологических параметров системы.
4. Экспериментальные исследования биореактора с барботажным перемешиванием по переработке органических отходов животноводства показали адекватность полученной математической модели и достоверность полученных результатов. Выявлено, что процесс барботажного перемешивания при анаэробной переработке позволяет снизить ингибирующее действие летучих органических кислот и ускорить снижение концентрации беззольного вещества на 25 %, удельный выход биогаза в мезофильном режиме с 1 кг СОВ составил 0,75 м3.
5. Разработана методика инженерного расчета биореактора с системой барботажного перемешивания, позволяющая производить расчеты его конструктивно-технологических параметров.
6. Разработана технологическая линия по ускоренной анаэробной переработке органических отходов животноводства, с применением вертикального биореактора с барботажным перемешивающим устройством, основные принципы которой и ее конструктивного исполнения защищены патентом РФ.
7. Результаты производственных испытаний системы переработки органических отходов животноводческого комплекса КРС ОАО «Тепличное» Республики Марий Эл подтвердили ее работоспособность при применении биореактора с барботажным перемешиванием. Годовой экономический эффект по приведенным затратам – 181,1 тыс. руб, срок окупаемости – 1,4 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах (курсивом выделены работы опубликованные в изданиях перечня ВАК):

1. Костромин, Д. В. Совершенствование технологического процесса метанового сбраживания в биоэнергетических установках / Д. В. Костромин, Д. Н. Шамшуров // Перспективы развития инноваций в биологии: материалы науч.-практ. конф. в рамках междунар. науч.-образоват. школы-конференции по биоинженерии и приложениям (23 ноября 2007 года, г. Москва) / МГУ им. М. В. Ломоносова, биолог. фак. – М.: Инноватика, 2007. – С. 42-43. (0,1 п.л./0,05 п.л.).
2. Сидыганов, Ю. Н. Барботажное перемешивание в биореакторах анаэробного сбраживания / Ю. Н. Сидыганов, Д. Н. Шамшуров, Д. В. Костромин // Национальные приоритеты развития России: образование, наука, инновации: сб. тез. выступлений участников программы (3 – 6 марта 2008 года, г. Москва). – М., 2008. – С. 218-219. (0,06 п.л./0,02 п.л.).
3. Сидыганов, Ю. Н. Анаэробная переработка отходов для получения биогаза / Ю. Н. Сидыганов, Д. Н. Шамшуров, Д. В. Костромин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – № 6. – С. 42-43. (0,34 п.л./0,2 п.л.).
4. Костромин, Д. В. Моделирование теплообмена сбраживаемого субстрата в условиях барботажного перемешивания / Д. В. Костромин // Наука в условиях современности: сб. ст. проф.-преп. сост., докторантов и асп. МарГТУ по итогам науч.-техн. конф. в 2009 г. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. – С. 70-73. (0,25 п.л./0,25 п.л.).
5. Костромин, Д. В. Тепловой баланс биореактора с применением барботажного перемешивания / Д. В. Костромин // Наука в условиях современности: сб. ст. проф.-преп. сост., докторантов и асп. МарГТУ по итогам науч.-техн. конф. в 2009 г. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. – С. 74-77. (0,25 п.л./0,25 п.л.).
6. Патент на полезную модель № 88989. Устройство для перемешивания субстрата для анаэробных биореакторных комплексов / Д. В. Костромин, Ю. Н. Сидыганов, А. В. Канарский, Д. Н. Шамшуров.
7. Патент на полезную модель № 81961. Система комплексной переработки органических отходов / Е. М. Романов, Ю. Н. Сидыганов, Д. В. Костромин.
8. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Система глубокой переработки органических отходов / Д. В. Костромин, Ю. Н. Сидыганов, А. В. Канарский, Д. Н. Шамшуров. – № 2009143550 от 24.11.2009 г.

Подписано в печать 27.01.2010.

Тираж 100 экз. Заказ № 4287

Редакционно-издательский центр

Марийского государственного технического университета

424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17