Динамическая модель интенсификации процесса переработки навозных стоков в метантенке с анаэробным биофильтром

Концентрация метанообразующих микроорганизмов и интенсивность образования биогаза резко снижаются при увеличении дозы загрузки навоза в метантенк. Это происходит вследствие удаления из метантенка колоний метанообразующих микроорганизмов с переработанной дозой выгруженного навоза, что, в свою очередь, приводит к сокращению общего газообразования.

Основным направлением повышения интенсивности газообразования при сбраживании навозных стоков является искусственное увеличение метанобразующих микроорганизмов в метантенке, при котором вынос активной микрофлоры и неперебродившего субстрата уменьшается. При анаэробном сбраживании навозных стоков сохранение метаногенной микрофлоры в метантенке имеет первостепенное значение, поскольку компенсировать ее потери из камеры сбраживания можно только путем увеличения продолжительности переработки, так как в сбраживаемом субстрате имеется достаточная концентрация органических веществ для развития новых синотрофных и ацетатоиспользующих бактерий. Однако этот вариант, т.е. увеличение продолжительности переработки навоза, приводит к увеличению энергозатрат и себестоимости производимого продукта [1, 2].

Методы исследований

Необходимым условием интенсификации процесса сбраживания навозных стоков является удержание метаногенной микрофлоры в камере сбраживания метантенка. Это главный технологический принцип работы всех анаэробных фильтров, реализация которого возможна на основе способности метановых бактерий создавать закрепленные и хорошо седементирую-щие макроструктуры [1, 4, 8].

Иммобилизация метанобразующих микроорганизмов в анаэробном биофильтре происходит в условиях с изменяющимися внешними воздействиями, обусловленными многочисленными и разнообразными факторами: температура, влажность, доза и периодичность загрузки метантенка, физико-механические свойства навозного стока, содержание органических веществ в сырье и т.п.

Входные параметры процесса брожения подразделяются на внешние и внутренние. Внешние параметры описывают условия функционирования метантенка, а внутренние параметры характеризуют элементы биофильтра (форма, количество рабочих органов, конструкцию частей и т.д.), свойства сбраживаемого субстрата и состояние биомассы в системе (изменение температуры и влажности биомассы, скорости развития, деятельности и концентрации анаэробных микроорганизмов, кинетику анаэробного сбраживания и т.д.).

Рассматривая функционирование метантенка как реакцию на входные воздействия и обозначив через У = (У 1 ; У 2 ,…, У п ) - вектор выходных параметров, а через Х = ( Х 1 ; Х 2 ,…, Х п ) и F= ( F 1 ; F 2 ,…, F п ) соответственно векторы внешних и внутренних параметров, представим модель функционирования биогазовой установки в виде (рис. 1) [3, 5]:

.......►

У п

У

Рисунок 1 – Модель функционирования метантенка

Общая математическая модель процесса метанообразования можно представить по принципу вход – выход в следующем виде:

У = А (F); Х .

Построение математической модели метантенка заключается в определении вида оператора А = А (F), определяющего алгоритм преобразования внешних воздействий Х в выходные параметры У. Структура оператора ( А) зависит не только от конструктивной схемы метантенка с биофильтром, но и от значения внутренних параметров. Общую математическую модель функционирования метантенка с анаэробным биофильтром М (АБ) представим в следующем виде (рис. 2):

S, кг        µ ,кг/сут F б ,м²

D,%

T, сут G c , %

V c ф , м³/су т

М (АБ)

C, %

L, %

Рисунок 2 - Динамическая модель функционирования метантенка (М) с анаэробным биофильтром (АБ)

Входные параметры: доза ( D,%) и периодичность загрузки ( T, сут ) метантенка, содержание абсолютного органического сухого вещества в навозном стоке ( G c ,% ) ; выходные параметры: скорость газообразования( V c , м 3 /сут ), метаносодержание в биогазе ( C,% ) и степень разложения органического вещества ( L,% ); внутренние параметры: исходная концентрация органических веществ в субстрате ( S, кг ), максимальная скорость роста микроорганизмов в заданном процессе ферментации ( µ , кг/сут ), общая площадь поверхности носителя биофильтра ( F 6 ,м² ).

Теоретической основой для построения динамической модели процесса иммобилизации метанообразующих микроорганизмов в биологических фильтрах послужила кинетическая модель Конто, которая может быть применена к более широкому классу, начиная со слабонасыщенных органических отходов и заканчивая высококонцентрированными (навоз, птичий помет). Она описывает скорость образования биогаза (V c , м 3 /сут) в зависимости от исходной концентрации органических веществ в сбраживаемом субстрате при анаэробной ферментации по формуле [1, 2, 7]:

V c = BS (1-- ^К ---)

Тц    НТц -1 + KS , где В - предельный выход биогаза с единицы органического вещества заданного состава при бесконечном времени экспозиции, м3/кг; S - концентрация органического вещества в субстрате, кг; ц - скорость роста микроорганизмов, кг/сут; Тц - время экспозиции, сут; ks - кинетический параметр (константа полунасыщения), К-1.

Результаты исследования

Скорость газообразования с иммобилизованной активной биомассой метанобразующих микроорганизмов в анаэробном биофильтре (см. рис. 2) определяем по выражению:

V c ф. =V c + Д V,                                        (3)

где V c - скорость газообразования в традиционной биогазовой установке, м³/сут; Д V - скорость газообразования в биогазовой установке с анаэробным биофильтром, м³/сут.

Отсюда следует, что Д V может зависеть от следующих параметров [2, 6, 7]:

Д V = f (Х бм , F e , S, L, dS/ T , ц ,8, р ₆ , Т ц и др. ),                (4)

где Х бм – количество активной биомассы, иммобилизованная на носителях биофильтра, кг; F б – общая площадь поверхности носителя биофильтра, м²; S – концентрация органического вещества в субстрате, кг; L – степень разложения органического вещества в субстрате, % ; dS/d τ ц – изменение концентрации органического вещества за время экспозиции ( τ ц ) ; µ – скорость роста микроорганизмов в биофильтре , кг/сут; 5 - толщина слоя активной биомассы, образованной в биофильтре, м; ρ – плотность активной биомассы, кг/м³.

Тогда скорость газообразования в метантенке с биофильтром определяем как:

△ V = Х бм X К б х ( ц / S),                                (5)

где К б – коэффициент образования биогаза с единицы активной биомассы биофильтра, кг/м³.

В микробиологических системах, как правило, скорость роста микроорганизмов ( µ , кг/сут) лимитируется концентрацией субстрата, что отражается зависимостью Ж. Моно [1, 2, 8]:

µ = ^{µ S ⋅ S} κ + S ^,

где µ S – удельная скорость роста микроорганизмов при данных условиях, г/сут.

Количество активной биомассы, иммобилизованной на поверхностях носителя анаэробного биофильтра, определяем по выражению:

Х бм = F 6 x 5 x р б .                                     (7)

Отсюда общую площадь поверхности носителя биофильтра ( F б , м² ) определяем следующим образом:

F 6   F лх П л  Г d ш х l ш х П л ,                                   (8)

где F л – площадь поверхности лопасти биофильтра, м²; n л – количество лопастей биофильтра, шт; d ш – диаметр шнура, м; l ш – длина шнура, м.

После преобразований выражения (3) скорость газообразования с иммобилизованной активной биомассой метанобразующих микроорганизмов в анаэробном биофильтре примет вид:

V cф. =V c + Х бм X К б X ( ц /S).                        (9)

Таким образом, получим динамическую модель иммобилизации метанобразующих микроорганизмов на носителях анаэробного биофильтра, характеризующуюся скоростью газообразования ( V c.ф , м³/сут), в следующем виде:

S       κS

V c^ = B— ⁽¹--;----- ) + Х бм x К б x ( ц / s ),

Т   ЦТ -1 + К

где В – предельный выход биогаза с единицы органического вещества заданного состава при бесконечном времени экспозиции, м³/кг; Х бм – количество активной биомассы, иммобилизованная на носителях биофильтра, кг; К б – коэффициент образования биогаза с единицы активной биомассы биофильтра, м³/кг.

По разработанной динамической модели (выраж. 10) создана структурная модель технологии анаэробной переработки навозных стоков (рис. 3) в метантенке с биофильтром, которая состоит из следующих элементов: ЭМС – энерго-микробиологические средства, ТС – технические средства, ЭТС – энерго-технические средства. Разработанная модель позволяет проследить процесс интенсификации анаэробной переработки навозных стоков в биогазовой установке путем иммобилизации метанобразующих микроорганизмов в биофильтре, который является конструктивным элементом метантенка, а также дает возможность управления энерготехнологическими и микробиологическими процессами. Критериями оценки технологического процесса интенсификации анаэробного сбраживания навозных стоков, которые представлены в структурной модели, являются иммобилизационные свойства и физико-структурные характеристики носителей анаэробного биофильтра.

Рисунок 3 – Структурная модель технологии анаэробной переработки навозных стоков свиноводства, где ЭБС – энерго-биологические средства: ТС - технические средства; ЭТС – энерго-технические средства; ЭТП – энерготехнологический процесс; МБП – микробиологический процесс

Вывод

Разработанная динамическая модель позволит интенсифицировать процесс анаэробной переработки органических стоков животноводства. Производительность биофильтра находится в функциональной зависимости от структурных элементов (количества лопастей, диаметра и длины шнура), с повышением размеров которых увеличиваются площадь иммобилизации метаногенной микрофлоры и скорость газообразования.