Теоретические исследования процесса образования биогаза в метантенке с биофильтром

Одним из решений интенсификации процесса переработки органических отходов животноводства является применение биоэнергетических технологий путем разработки и создания нако- пителей (биофильтров) активной биомассы (энергообразующие микроорганизмы) в камере сбраживания метантенка. При существующих технологиях концентрация активной биомассы выносится из метантенка с выгруженным переработанным сырьем. Поэтому при изучении кинетики микробиологических процессов образования биогаза основное внимание уделяют теоретическому исследованию переработки органической биомассы, которая зависит от эффективности применения биофильтра в метантенке. Отсюда следует, что, несмотря на многолетние исследования и практическое применение анаэробного сбраживания органических отходов животноводства, пока не получено общепризнанное математическое описание образования биогаза в метантенке с биофильтром, которое позволило бы применить при научно-исследовательских работах. В связи с этим наше исследование заключается в разработке математической модели процесса образования биогаза в метантенке с биофильтром, который характеризует интенсивность переработки органических отходов [1, 2].

Целью исследования является разработка математической модели интенсивности образования биогаза в метантенке в зависимости от процесса накопления метанообразующих микроорганизмов на носителях биофильтра.

Материалы и методы исследования

Основным конструктивным элементом для определения методики теоретического исследования процесса образования биогаза в метантенке (рис. 1) является анаэробный биофильтр (3), представляющий собой форму шара жесткой конструкции, структурным элементом которого являются лопасти (4), натянутые капроновой сеткой (6) с ячейкой 50 × 50 мм и диаметром шнура 5,0 мм (ГОСТ 25574-83). Биофильтр вращается вокруг своей оси на валу (7) с помощью выталкивающей силы образующегося биогаза, который собирается в емкости (8), выполненные из полимерного материала. В дно корпуса (1) с утеплителем (2) установлен штуцер (9) для принудительной подачи газа (биогаза) компрессором (10) в рабочую емкость (8) лопастей биофильтра, а также вентиль (11) для слива осадка с активным илом. Труба (12) служит для отвода образующегося биогаза, труба (13) – для подачи исходной массы и ввода активного ила (система рециркуляции), труба (14) – для удаления переработанного навоза, зубья (15) – для разрушения образующейся корки на поверхности перерабатываемого навоза [3].

б

Рисунок 1 – Метантенк с биофильтром: а - технологическая схема; б – вид сверху (сечение А - А); в - общий вид биофильтра сбоку; г - 1/4 часть биофильтра

Техническая характеристика метантенка с биофильтром

Таблица 1

Наименование	Ед. изм.	Показатель
Метантенк
Тип		цилиндрический
Полезная вместимость	м 3	1,3
Габаритные размеры (диаметр × высота)	м	1,3 х 1,2
Биофильтр
Тип		шарообразный
Материал носителя лопастей биофильтра		капроновый шнур
Площадь поверхности носителя	м2	36,0
Габаритные размеры: диаметр	м	1,0

Методика теоретического исследования образования биогаза в метантенке и его энергетической характеристики заключалась в построении математической модели процесса накопления метанообразующих микроорганизмов в биофильтре, где основой послужила кинетическая модель Конто, которая применяется к более широкому классу органических отходов. Она описывает интенсивность образования биогаза (V C , м³/м³сут) в зависимости от технологических параметров процесса анаэробной переработки отходов в метантенке [4, 5]:

V C = ^{V б S} (1 τ _Ц

-

κ S     _),

µτ _Ц - 1 + κ _S

где V б (м³/кг) – максимальное образование биогаза из органического сырья заданного состава; τ ц (сут) – время переработки; S(кг/м³) – исходная концентрация органического вещества в навозе; µ (кг/м³ сут) – максимальная скорость роста микроорганизмов в заданном процессе переработки; k S – кинетический параметр (константа полунасыщения).

В метантенке с накопленной активной биомассой на рабочих поверхностях биофильтра интенсивность образования биогаза V cф (м³/м³сут) суммируется из двух составляющих: V c (м³/м³сут) – интенсивность газообразования в традиционной биогазовой установке и ∆ V (м³/м³сут) – изменение интенсивности газообразования в метантенке с биофильтром, и в результате получено следующее выражение [6, 7]:

V c ф. = V c + ∆ V.                                          (2)

Далее изменение интенсивности образования биогаза (∆ V), т. е. получение дополнительной составляющей образования биогаза с применением биофильтра в метантенке может зависеть от следующих параметров [8, 9]:

∆ V = f (F б , S, Х бм , L, dS/d τ ц , µ , τ ц и др.),                           (3)

где F б (м²) – общая площадь поверхности носителя лопастей биофильтра; S(кг/м³) – концентрация органического вещества в перерабатываемом органическом сырье; Х бм (кг/м²) – масса метанообразующих микроорганизмов, накопленных на носителях биофильтра; L (%) – степень разложения органического вещества; dS/d τ ц – изменение концентрации органического вещества в перерабатываемом сырье за время ( τ ц ); µ (кг/м³сут) – интенсивность роста микроорганизмов в биофильтре.

Отсюда изменение интенсивности образования биогаза в метантенке с биофильтром находим по следующей формуле:

∆ V = Х бм × К б × ( µ / S),                                   (4)

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

Массу накопленных активной биомассы на поверхностях носителя лопастей анаэробного биофильтра определяем по выражению:

Х бм = F 6 * 8 * Р б ,

где 8 (м/м³) - толщина слоя накопленной биомассы в биофильтре; Р б (кг/м³) - плотность биомассы.

Отсюда общую площадь поверхности носителя лопастей F б (м²) разработанного нами шарообразного биофильтра определяем следующим образом:

F 6 = F л х П л = лd ш х 1 ш х П л ,                                (6)

где F л (м²) – общая площадь поверхности носителя (капроновый шнур) лопастей биофильтра; d ш (м) – диаметр капронового шнура; l ш (м) – общая длина шнура; n л (шт.) – количество лопастей биофильтра.

После преобразований выражение (2) интенсивности образования биогаза с накопленными метанобразующими микроорганизмами в анаэробном биофильтре примет вид:

V СФ. = _B ^S _{(1 -}      ^κ S      ₎ + [Х бм × К б × ( µ / S )] .                (7)

τ _ц     µτ _ц - 1 + κ _S

Результаты исследований и их обсуждение

В результате проведенного теоретического анализа конструктивных элементов технологического оборудования метантенка с биофильтром была получена математическая модель интенсивности образования биогаза V cф (м³/м³сут) в метантенке в зависимости от процесса накопления метанообразующих микроорганизмов на носителях шарообразного биофильтра в следующей редакции:

V СФ. =V С + [Х бм × К б × ( µ / S )],                                (8)

Разработанная математическая модель (8) позволяет получить практическое применение в технологическом процессе переработки органических отходов. Поэтому производительность метантенка при переработке органического сырья зависит от интенсивности образования биогаза V cф (м³/м³сут) и находится в функциональной зависимости от структурных элементов биофильтра (диаметра, количества лопастей и площади поверхности носителей), с повышением размеров которых увеличиваются процесс накопления метанообразующих микроорганизмов (табл. 2) [10, 11].

Таблица 2

Результаты исследований интенсивности образования биогаза и его энергетической характеристики в метантенке с биофильтром

Площадь поверхности носителей биофильтра, F аб , м2	Масса накопленной активной биомассы, Х бм , кг/м2	Интенсивность образования биогаза, V сф, м3/сут		Энергия биогаза Q б , КДж	Энергия товарного биогаза Q т , КДж	Энергосодержание биофильтра, Q аб , КДж	Степень разложения органического вещества, L, (%)
		экспери-ментальное	теоретическое
4,01	0,035	0,30	0,29	25	2,01	0	13,5
8,12	0,081	0,41	0,39	90	12,50	2,03	35,0
13.23	0,14	0,73	0,54	125	20,11	4,01	52,2
20,30	0,16	1,53	1,09	150	25,21	6,12	65,1
24,14	0,17	1,79	1,61	235	35,13	11,30	68,4
27,54	0,21	2,65	2,37	315	45,02	12,50	63.0
36,03	0,32	4,78	3,65	297	50,34	17,21	48,3

Полученные результаты теоретического исследования процесса образования биогаза (рис. 2), зависящие от оптимальных значений массы накопленных метанообразующих микроорганизмов на носителях лопастей биофильтра, позволили оптимизировать его технологические параметры, т. е. при оптимальном значении Х бмopt , равной 0,17 кг/м² (рис. 2 а), соответствуют оптимальные значения конструктивных элементов биофильтра: диаметр (d б ) 1,0 м, количество лопастей соответственно (n л ) 8 шт. и, соответственно, площадь поверхностей носителей F аб opt , равная 27,2 м², однако с увеличением которой уменьшается степень разложения (L, %) перерабатываемого сырья (рис. 2 б).

а                                     б

Рисунок 2 – Характеристика результатов теоретического исследования: а - интенсивности образования биогаза (1 – экспериментальное, 2 – теоретическое, V сф (м³/сут), в зависимости от массы накопленных метанообразующих микроорганизмов (Х бм , кг/м²) в анаэробном биофильтре;

б - степень разложения органического вещества – L, %, в зависимости от площади поверхности носителей биофильтра – F аб , м²

Для оценки эффективности работы метантенка с биофильтром при проведении теоретических исследований (рис. 3) были получены энергетические характеристики образования биогаза в зависимости от рабочих поверхностей носителей анаэробного биофильтра Fаб (м²): энергия выделившегося биогаза Q б (КДж), характеризующая количественную сторону, а энергия товарного биогаза Q Т (КДж) и энергосодержание биофильтра Q аб (КДж) – качественную сторону технологического процесса переработки органического сырья. Результаты теоретических исследований анаэробной переработки органического сырья позволили установить эффективность применения биофильтра в метантенке при накоплении сообщества метанообразующих микроорганизмов на его рабочих поверхностях, с увеличением которых повышается энергосодержание биофильтра Q аб в 2,0 раза и увеличивается товарная энергия биогаза Q Т в 2,2 раза [12, 13].

Рисунок 3 - Энергетическая характеристика Q (кДж) метантенка при переработке органических отходов в зависимости от площади поверхностей носителей биофильтра Fаб (м²)

Заключение

В результате проведенных теоретических исследований получены математическая модель интенсивности образования биогаза V сф в метантенке с биофильтром и результаты оптимальных значений накопления активной биомассы Х бм.opt на его рабочих поверхностях при переработке органического сырья равной 0,17 кг/м², при повышении которых снижается степень разложения органического сырья, что существенно важно при проведении практических исследований. Также получены теоретические результаты производительности биофильтра при работе в метантенке, который находится в функциональной зависимости от его конструктивных элементов (диаметра, количества лопастей и площади поверхности носителей), с увеличением размеров которых повышается процесс накопления метаногенной микрофлоры и интенсивность образования биогаза, а степень разложения органической биомассы снижается.

Проведенные теоретические исследования интенсивности образования биогаза в метантенке с биофильтром и его энергетические характеристики позволили установить эффективность дальнейшего практического исследования данной технологии при анаэробной переработке органического сырья [14, 15].