CC BY
2Ю.Ц. Бадмаев, ст. преподаватель, e-mail: badmaev57@ bk.ru Ю.А. Сергеев, д-р техн. наук, прфессор, e-mail: Sergeev3939@mal. ru Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова, г. Улан-Удэ
УДК 631.3:631.8(571.54)
ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗНЫХ СТОКОВ В МЕТАНТЕНКЕ С АНАЭРОБНЫМ БИОФИЛЬТРОМ
Основным способом интенсификации процесса анаэробной переработки навозных стоков искусственное увеличение активной биомассы в метантенке. В статье описана динамическая модель функционирования метантенка с анаэробным биофильтром, в качестве исходных источников которых были использованы модели Конто и Моно. Математическая сущность динамической модели заключается в иммобилизации метаногенной микрофлоры на носителе (капроновый шнур) биофильтра, который характеризуется скоростью газообразования с единицы сбраживаемого сырья. По динамической модели разработана структурная модель анаэробной переработки навозных стоков свиноводства в метантенке с биофильтром, основанная на критериях оценки иммобилизационных свойств и физико-структурных характеристик носителей биофильтра. 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 увеличивается площадь иммобилизации метаногенной микрофлоры и скорость газообразования.
Ключевые слова: метанобразующие микроорганизмы, навозные стоки, динамическая модель, метантенк, анаэробный биофильтр, структурная модель, газообразование.
Yu.Ts. Badmaev, Senior Lecturer Yu.A. Sergeev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
A DYNAMICAL MODEL OF INTENSIFICATION OF THE RECYCLING PROCESS OF LIQUID MANURE IN A METHANE TANK WITH AN ANAEROBIC BIO-FILTER
The main ways to intensify anaerobic processing of liquid manure is to increase an active bio-mass in a methane tank. A dynamic functional model of a methane tank with an anaerobic bio-filter is introduced in the article. As the initial sources of the model, the Conto and Mono models were used. The mathematical essence of the dynamic model is the immobilization of the methanogenic microflora on the carrier (kapron cord) of the bio-filter, which is characterized by the rate of gas generation from a unit offermented raw materials. In accordance with the dynamic model, a structural model of anaerobic processing of liquid pig manure in the methane tank was developed. The model was based on the criteria for assessing immobilisation properties and physic-structural characteristics of bio-filter carriers. The developed dynamic model will make it possible to intensify the process of anaerobic recycling of organic sewage of livestock. The productivity of the bio-filter functionally depends on the structural elements (the number of blades, diameter and length of the cord), with increase in size of which the area of methanogenic microflora and the rate of gas formation increase.
Key words: methanogenic microorganisms, manure drains, dynamic model, methane tank, anaerobic bio-filter, structural model, gas production
Введение
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; У2,..., Уп) - вектор выходных параметров, а через Х = (Х1; Х2,..., Хп) и ¥= (¥1; ¥2,..., ¥п) соответственно векторы внешних и внутренних параметров, представим модель функционирования биогазовой установки в виде (рис. 1) [3, 5]:
Х
Х1 Х2
Х п
Г
¥1 \
¥
¥2
щ
Л(¥)
¥п
I
У1 У2
Уп
£
У
Рисунок 1 - Модель функционирования метантенка
Общая математическая модель процесса метанообразования можно представить по принципу вход - выход в следующем виде:
У = Г(¥); Х. (1)
66
Построение математической модели метантенка заключается в определении вида оператора А = А (¥), 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):
Д%
Т, сут
Ос, %
3 кг
д,кг/сут Дб ,м2 1 1
Ус ф, м3/сут С, % I
ь, % .
Рисунок 2 - Динамическая модель функционирования метантенка (М) с анаэробным биофильтром (АБ)
Входные параметры: доза (Д%) и периодичность загрузки (Т, сут) метантенка, содержание абсолютного органического сухого вещества в навозном стоке (Ос,%); выходные параметры: скорость газообразования( Ус, м3/сут), метаносодержание в биогазе (С,%) и степень разложения органического вещества (Ь,%); внутренние параметры: исходная концентрация органических веществ в субстрате (3, кг), максимальная скорость роста микроорганизмов в заданном процессе ферментации (д кг/сут), общая площадь поверхности носителя биофильтра (Дб ,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 (Ус, м3/сут) в зависимости от исходной концентрации органических веществ в сбраживаемом субстрате при анаэробной ферментации по формуле [1, 2, 7]:
Ус = (1--£-), (2)
Тц ДТ, -1 + ^
где В - предельный выход биогаза с единицы органического вещества заданного состава при бесконечном времени экспозиции, м3/кг; 8 - концентрация органического вещества в субстрате, кг; д- скорость роста микроорганизмов, кг/сут; Тц - время экспозиции, сут; кз - 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:
Ус ф =Ус + ДУ , (3)
где Ус - скорость газообразования в традиционной биогазовой установке, м3/сут; ДУ - скорость газообразования в биогазовой установке с анаэробным биофильтром, м3/сут.
Отсюда следует, что ДУ может зависеть от следующих параметров [2, 6, 7]:
ДУ = /(Хбм, ¥б, 8, Ь, й8/йтц, д, 8, рб ,тц и др.), (4)
где Хбм - количество активной биомассы, иммобилизованная на носителях биофильтра, кг; ¥б
- общая площадь поверхности носителя биофильтра, м2; £ - концентрация органического вещества в субстрате, кг; Ь - степень разложения органического вещества в субстрате, % ; й£/йтц
- изменение концентрации органического вещества за время экспозиции (тц); /л- скорость роста микроорганизмов в биофильтре, кг/сут; 8 - толщина слоя активной биомассы, образованной в биофильтре, м; р6 - плотность активной биомассы, кг/м3.
Тогда скорость газообразования в метантенке с биофильтром определяем как:
ДУ = Хбм х Кб х (//£ ), (5)
где Кб - коэффициент образования биогаза с единицы активной биомассы биофильтра, кг/м3.
В микробиологических системах, как правило, скорость роста микроорганизмов (/ , кг/сут) лимитируется концентрацией субстрата, что отражается зависимостью Ж. Моно [1, 2, 8]:
/ ■ 5
где / - удельная скорость роста микроорганизмов при данных условиях, г/сут.
Количество активной биомассы, иммобилизованной на поверхностях носителя анаэробного биофильтра, определяем по выражению:
Хбм = ¥б х 5 х Рб. (7)
Отсюда общую площадь поверхности носителя биофильтра (¥б, м2) определяем следующим образом:
¥б = ¥лхПл = пёш
х 1ш X Пл, (8)
где ¥л - площадь поверхности лопасти биофильтра, м2; Пл - количество лопастей биофильтра, шт; йш - диаметр шнура, м; 1ш - длина шнура, м.
После преобразований выражения (3) скорость газообразования с иммобилизованной активной биомассой метанобразующих микроорганизмов в анаэробном биофильтре примет вид:
Ус ф. =Уа + Хбм х Кб х (л / £ ). (9)
Таким образом, получим динамическую модель иммобилизации метанобразующих микроорганизмов на носителях анаэробного биофильтра, характеризующуюся скоростью газообразования (Ус.ф , м3/сут), в следующем виде:
Г> 5 К 5 \
Ус.ф.= В~ (1--5-) + Хбм х Кб х (л / £ ), (10)
ф Тц /Тц -1 +
где В - предельный выход биогаза с единицы органического вещества заданного состава при бесконечном времени экспозиции, м3/кг; Хбм - количество активной биомассы, иммобилизованная на носителях биофильтра, кг; Кб - 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.
Библиография
1. Егоров Н.С., Олеськин А.В., Самуилов В.Д. Биотехнология: учеб. пособие для вузов в 8 кн. / под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилов. Кн. 1: Проблемы и перспективы. - М.: Высш. школа, 1989. -152 с.
2. ДоумчариеваЖ.Е., НуржигитоваЖ.Н., БайжариковаМ.А. и др. Расчет скорости выхода метана технологического процесса метанового сбраживания органического субстрата // Молодой ученый. - 2017. - № 4.1. - С. 39-44.
3. Друзьянова В.П., Сергеев Ю.А. Динамическая и математическая модели процесса анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота // Вестник БурГСХА. - № 3(40). - 2015. - С. 32-35.
4. Иммобилизованные клетки и ферменты. Методы / под ред. Д. Вудворда. - М.: Мир, 1988. -
216 с.
5. Гвоздев Н.В. Интенсификация работы метантенков: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 1983. - 20 с.
6. Ковалев А.А. Научные основы построения и расчета технологических линий производства биогаза // Энергетика и электромеханизация сельского хозяйства: науч. тр. Т. 87. - М.: Изд-во ВИЭСХ, 2000. - 328 с.
7. Ножевникова А.Н., Мельник Р.А., Ягодина Т.Г. Поиски микробиологических путей интенсификации процесса метаногенеза на отходах животноводства // Биология термофильных микроорганизмов. - 1986. - С. 244-248.
8. Мельник Р.А., Бородин В.И., Пузанков А.Г. и др. Повышение эффективности анаэробной переработки навоза // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1985. - № 11. - С. 6-8.
9. Миндубаев А.З., Белостоцкий Д.Е., Минзанова С.Т.и др. Метаногенез: биохимия, технология, применение // Ученые записки КГУ. Серия: Естественные науки. - 2010. - Т. 152, кн. 2. - С. 178-191, 102.
Bibliography
1. Biotechnology: Manual for universities in 8 books / Edit. By N.S. Egorova, V.D. Samuilov. B. 1: Problemy i perspektivy / N.S. Egorov, A.V. Oles'kin, V.D. Samuilov. - M.: Nauk.dumka, 1989. - 152 p.
2. Doumcharieva Zh.E., Nurzhigitova Zh.N., BajzharikovaM.A. etal. Calculation ofthe rate ofmethane output of the technological process of methane fermentation of organic substrate // Young Scientist. - 2017. -N 4.1. - P. 39-44.
3. Druzyanova V.P, Sergeev . Ju.A. Dynamic and mathematical models of anaerobic digestion process of cattle's manure // Bulletin of BurGSHA. - 2015. - N 3 (40). - P. 32-35.
4. Immobilized cells and enzymes. Methods ed. by D. Woodward. - М.: Мщ 1988. - 216 p.
5. GvozdevN.V. Intensification of digesters: abstract of dis. cand. tech. sciences. - М., 1983. - 20 p.
6. Kovalev A.A. Scientific bases of construction and calculation of technological lines for biogas production // Energetika i Elektromehanizacija selskogo hozjajstva (Scientific works, vol.87). - M.: VIJeSH, 2000. - 328 p.
7. Nozhevnikova A.N., MelnikR.A., Yagodina T.G. The search for microbiological ways of intensifying the process of methanogenesis on livestock waste // Biologija termofil'nyh mikroorganizmov. - 1986. -P. 244-248.
8. Melnik R.A., Borodin V.I., Puzankov A.G. et al. Improving the efficiency of anaerobic digestion of manure // Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva. - 1985. - N 11. - P. 6-8.
9. Mindubaev A.Z., Belostotskiy D.E., Minzanova S.T. et al. Methanogenesis: biochemistry, technology, application // Uchen. zap. KGU, Ser. estest. nauki. - 2010. - Vol. 152, B. 2. - P. 178-191, 102.
