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

Рисунок 1 – Зависимость концентрации от высоты фильтрующего материала в процессе адсорбции

Количество вещества, поглощаемого в процессе адсорбции, определяется из выражения

, (15)

где аd – удельная площадь поверхности диффузии, м-1; J – плотность диффузионного потока, моль/м2·с; – объем фильтрующего материала, используемого как адсорбента, м3; – время контакта газа с порами фильтрующего материала, с.

Удельная площадь поверхности диффузии аd, которая зависит от пористости фильтрующего материала и размера его частиц, определяется по формуле

, (16)

где – отношение эквивалентной площади поверхности сферы к ее фактической площади; R – эквивалентный радиус сферы, м.

Плотность диффузионного потока в формуле (15) представляет собой значение количества вещества, переносимого путем диффузии в единицу времени через единицу площади поверхности в направлении максимального градиента концентрации .

Данная величина определяется в соответствии с законом Фика

, (17)

где D – коэффициент диффузии, м2/с.

Знак «-» в выражении (17) показывает, что перенос происходит в направлении уменьшения градиента концентрации.

В виду того, что в пористой структуре газы движутся в свободных полостях – поровых каналах, расстояние, которое преодолевают молекулы газа, больше высоты фильтрующего материала, тогда выражение (17) запишется в виде

, (18)

где DП – коэффициент диффузии газов в порах фильтрующего материала, м2/с; - площадь поперечного сечения диффузионного потока на единице сечения материала; – истинная длина поровых каналов, м, определяемая соотношением, где k – коэффициент извилистости пор.

Площадь поперечного сечения диффузионного потока прямопропорционально зависит от пористости и обратно пропорциональна коэффициенту извилистости пор , тогда выражение (18) запишется в виде

. (19)

Коэффициент диффузии газов в порах DП, определяется согласно выражению

, (20)

где – средний радиус пор, м; – средняя скорость молекулы, м/с; D0 – коэффициент диффузии газа при давлении P0 = 0,1 МПа, температуре Т0=273 К. При изменении температуры и давления, коэффициент диффузии газа определяется по формуле

. (21)

Таким образом, подставляя выражения (16), (19), (20), в выражение (15) получаем

. (22)

Следующим этапом сорбционного процесса является абсорбция, при которой количество поглощаемого вещества, определяется аналогично выражению (15)

, (23)

где а – удельная поверхность абсорбционного слоя, м-1; Jабс – плотность диффузионного потока при абсорбции, моль/м2·с; - объем абсорбционного слоя, м3; - время фильтрации при абсорбции, с.

Плотность диффузионного потока при абсорбции определяется с использованием закона Фика, аналогично выражению (18)

, (24)

где Da – коэффициент диффузии при абсорбции м2/с; F – площадь поверхности абсорбции к единицы сечения абсорбционного слоя; - высота абсорбционного слоя, м.

Для определения коэффициента диффузии газа в жидкости при нормальных условиях используется формулу Арнольда

, (25)

где – вязкость жидкости, мПа·с; А и В – поправочные коэффициенты для диффундирующего газа и жидкости (для газов А=1, воды В=4,7); vА и vВ – мольные объемы вещества А и В в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, см3/моль; МА и МВ – мольные массы веществ А и В, г/моль.

С увеличением температуры коэффициент диффузии в жидкости увеличивается и рассчитывается из выражения

, (26)

где – плотность жидкости, кг/м3.

Таким образом, подставляя выражения (24) и (25) в формулу (23) количество вещества, поглощаемого в процессе абсорбции, определяется выражением

. (27)

Следующим этапом работы биологического фильтра является микробиологическое разложение, при котором количество поглощенного вещества, зависит от скорости реакции в биопленке и скорости абсорбционного процесса.

В процессе биологической фильтрации происходит рост числа микроорганизмов биопленки, описываемый кривой роста, рисунок 2.

Увеличение количества микро-организмов при потреблении газов определяется по формуле

, (28)

где X – концентрация микроорганизмов в биопленке, кг/м3; – удельная скорость роста числа микроорганизмов, с-1; X0 – начальная концентрация микроорганизмов, кг/м3, m – время роста, с.

При достижении концентрации газов в биопленке критического значения, скорость разложения регулируется только скоростью химических реакций ферментативного распада. В таком случае, скорость снижения количества газа в биопленке от времени фильтрации определяется согласно дифференциальному уравнению

, (29)

где - изменение количества поглощенного биопленкой вещества от времени, моль/м3·с; k – константа скорости реакции, с-1; E0 – количество фермента на единицу биомассы, моль/кг; c – концентрация газа в биопленке, моль/м3; Km – константа сродства (полунасыщения), равная концентрации газа, при которой удельная скорость роста микроорганизмов составляет половину от максимальной, моль/м3.

Подставляя выражение (28) в формулу (29), учитывая объем биопленки и время нахождения в ней газа, количество вещества, поглощенного в процессе микробиологического разложения, при условии ограничения только скоростью ферментативного распада vрасп>vабс определяется по выражению

, (30)

где – объем биопленки, м3.

В случае если концентрация газов в биопленке ограничена скоростью диффузии в порах, количество поглощенного вещества находится по формуле

, (31)

где с0 – концентрация газов поступающих в биопленку, моль/м3; kf - кинетический коэффициент реакции разложения, определяемый по формуле

, (32)

где К – константа скорости реакции, моль/м3·с; n – коэффициент распределения; – толщина биопленки, м.

Следовательно, выражение количества вещества, поглощенного в процессе микробиологического разложения (31) примет вид

. (33)

Таким образом, полученные зависимости (22), (27), (30), (33) позволяют определить общее количество вещества, поглощенного в процессе фильтрации, а их подстановка в выражение (1), обеспечивает определение количества вещества после фильтрации, при известном значении количества поступающего вещества.

Критерием оптимизации работы биофильтра может служить эффективность очистки газов, определяемая выражением

. (34)

В общем виде эффективность очистки Э, как критерия оптимизации параметров биофильтра, представляет собой функцию множества переменных

. (35)

Математическая модель процесса биологической фильтрации газов представляет собой систему уравнений (1; 13; 14; 22; 27; 30; 33), решая которую в среде MathCAD выявлены основные факторы, влияющие на критерий оптимизации: высота фильтрующего материала h, пористость фильтрующего материала m, объем материала V, время фильтрации фил. На пористость значительное влияние оказывает влажность W и состав фильтрующего материала.

В третьей главе «Программа и методики проведения экспериментальных исследований» изложены программа и методика исследований: концентрации газов при компостировании соломонавозной смеси; температуры, влажности газов; физических свойств пористых фильтрующих материалов; процесса биологической фильтрации газов.

В качестве фильтрующих материалов использовались смеси компоста из навоза КРС и древесной стружки сосны в различных массовых соотношениях, в качестве исследуемых материалов также использовали, смесь навоза и пшеничной соломы, газы при биоферментации соломонавозной смеси.

Зависимость концентрации газов от интенсивности процесса компостирования, в установке камерного типа, определяли с помощью индикаторных трубок по установленным методикам.

Для проведения многофакторного эксперимента по изучению процесса биологической фильтрации была изготовлена экспериментальная лабораторная установка, представленная на рисунке 3.

а)

б)

1 – термоизолированная емкость; 2 – соломонавозная смесь; 3 – газоотводные трубки; 4 – воздуховод; 5 – фильтрующий материал; 6 – биофильтр с нагревательными элементами; 7 – блок управления; 8 – вытяжной вентилятор; 9 – металлическая сетка

Рисунок 3 – Схема (а) и общий вид (б) лабораторной установки для исследования процесса биологической фильтрации

Установка работает следующим образом, соломонавозная смесь 2 влажностью 65...70 %, объемом 1 м3 предварительно доводилась до температуры 35...40°С, путем естественного саморазогрева, и загружалась в термоизолированную емкость 1.

Газы, посредством применения вытяжного вентилятора 8 поступали в корпус биофильтра 6, в котором равномерно распределялся по поверхности фильтрующего материала 5.

Управление работой установки осуществлялось при помощи блока управления 7, включающем в себя терморегулятор, магнитный пускатель и реле времени.

Эффективность очистки определялась исходя из анализа концентрации газов на входе и на выходе из биофильтра.

Оптимальные параметры работы биофильтра определяли для трех факторов, при которых изучение влияния исследуемых параметров осуществляли на трех уровнях, таблица1, при этом получали независимые оценки коэффициентов регрессии.

Таблица 1 – Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы и их обозначения	Уровни варьирования			Интервал варьирования
	нижний (-1)	базовый (0)	верхний (+1)
Х1 – влажность фильтрующего материала, %	40	50	60	10
Х2 – температура фильтрующего материала, °С	20	30	40	10
Х3 – массовая доля компоста, %	30	50	70	20

Повторность опытов принята трехкратной, доверительная вероятность 0,95. Однородность дисперсий определяли по критерию Кохрена.

Адекватность полученных регрессионных моделей проверяли согласно F-критерию Фишера.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследований изменения концентрации аммиака и сероводорода, выделяющихся при компостировании соломонавозной смеси, температуры и влажности газов, физических свойств пористых фильтрующих материалов, а также результаты проведения многофакторного эксперимента. Результаты исследований представлены в таблице 2.

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

Наименование показателя	Единица измерения	Значение
Концентрация аммиака, СNH3	мг/м3	12...115
Концентрация сероводорода, СH2S	мг/м3	4...22
Температура газов, t	°С	22…42
Влажность газов, поступающих в биофильтр, W	%	85…95
Пористость фильтрующего материала, m	-	0,40…0,77
Насыпная плотность фильтрующего материала, Н	кг/м3	120…550
Максимальная скорость потока газа, vфил	м/с	0,054
Минимальное время фильтрации газа, фил	с	14
Минимальная высота фильтрующего материала, hм	м	0,75

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

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

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

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

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

Рисунок 6 – Зависимость изменения концентрации аммиака и сероводорода от времени компостирования

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

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

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

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

• уравнение регрессии эффективности очистки от аммиака

ЭNH3=-0,066W2-0,038t2-0,016M2+6,245W+2,3t+1,84M-143,375 (36)

• уравнение регрессии эффективности очистки от сероводорода

ЭH2S=-0,091W2-0,049t2-0,019M +9,167W +2,8t+1,979M–227,312 (37)

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

Исследования по определению максимальной эффективности показали, что для аммиака при влажности фильтрующего материала 47%, массовой доли компоста 58% и температуре в материале 30°С эффективность очистки максимальна и составляет 92%. Для сероводорода при влажности 50%, массовой доли компоста 52%, и температуре 28°С максимальная эффективность очистки составляет 95%. На основании полученных регрессионных моделей и значений факторов примем среднее значений массовой доли компоста 55%. Полученные трехмерные графические зависимости представлены на рисунке 7.

а)	б)
Рисунок 7 – Поверхность отклика эффективности очистки газов от аммиака (а) и сероводорода (б) фильтрующим материалом с массовой долей компоста 55%