CC BY
50
УДК 631.1.004.18:636.22/28
ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДАЧИ СУБСТРАТА В БИОРЕАКТОР ДЛЯ АНАЭРОБНОЙ
ОБРАБОТКИ
А.А. Ковалев, кандидат технических наук Д.А. Ковалев, кандидат технических наук ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: [email protected]
Аннотация. Использование методов биологической конверсии органических отходов с получением биогаза и высококачественных органических удобрений при одновременном решении ряда вопросов охраны окружающей среды от загрязнения является актуальной задачей. Целью работы является разработка ин-теллектуализированной системы подачи субстрата (ИСПС) в биореактор для анаэробной обработки и оценка ее влияния на эффективность и стабильность непрерывного процесса анаэробной биоконверсии органического вещества. В работе приведены основные контролирующие параметры анаэробной обработки. Приведено описание ИСПС, а также ее технологическая схема. Работа алгоритма интеллектуали-зированной системы подачи субстрата в биореактор для анаэробной обработки представляет собой циклическое выполнение алгоритмов независимых систем определения и контроля параметров анаэробной обработки. Приведены описание и месторасположение основных датчиков и исполнительных механизмов системы. Приведены параметры и уставки работы ИСПС. Показано, что предлагаемая интел-лектуализированная система подачи субстрата в биореактор для анаэробной обработки позволяет уменьшить колебания скорости выхода биогаза из анаэробного биореактора без использования промежуточной накопительной емкости при одновременном поддержании оптимального для консорциума анаэробных микроорганизмов уровня рН.
Ключевые слова: биогазовая установка, органические отходы, интеллектуализированная система подачи субстрата.
В последние годы внимание общества все более привлекается к решению двух неразрывно связанных проблем - предотвращению истощения природных ресурсов и охране окружающей среды от антропогенного загрязнения. Быстрое расходование запасов природного топлива, ограничение строительства гидро- и атомных электростанций вызвали интерес к применению возобновляемых источников энергии, в т.ч. огромных масс органических отходов, образующихся в сельском хозяйстве, промышленности, городском коммунальном хозяйстве.
В связи с этим использование методов биологической конверсии органических отходов с получением биогаза и высококачественных органических удобрений при одновременном решении ряда вопросов охраны окружающей среды от загрязнения является весьма перспективным [1]. Основными контролирующими параметрами анаэробной об-
работки являются входные и выходные характеристики субстрата до и после обработки, а также условия его ферментации. К таким показателям относятся: влажность органических отходов, поступающих на переработку кислотность в биореакторе - рН; температурный режим в биореакторе - Т; доза суточной загрузки метантенка - d. В соответствии с условиями активной метаногене-рации значения этих характеристик должны быть: W - нижний предел 90%; рН - верхний предел 7,8; рН - ниж-ний предел 6,4.
Важнейшей характеристикой метаноге-нерации является температура. Этот параметр контролируется автоматически с помощью температурного реле, а также ежедневно визуально по показанию терморегулятора - установка на нужную температуру. При мезофильном режиме сбраживания температура биомассы в метантенке должна быть Т = 37±2°С, а при термофильном - 55±1°С.
Загрузка метантенка навозом должна производиться несколько раз в сутки (количество загрузок определяется экспериментально в период запуска установки), причем суточное количество навоза, подаваемого на переработку, должно быть в строгом соответствии с принятой дозой загрузки - ё.
Общее значение дозы загрузки определяется по уровню навоза в навозоприемнике при его опорожнении или в специальной дозирующей емкости, которая заполняется навозом до требуемого уровня перед подачей в метантенк. Отклонение от заданного количества более 5% не допускается [2,3,4,5].
Согласно исследованиям [6,7,8], биореактор, работающий при дробной загрузке, был более устойчив к перегрузкам по аммонийному азоту и органическому веществу, качественный состав биогаза также улучшается в сторону увеличения содержания метана в биогазе, кроме того, микробное сообщество биореактора было более разнообразным. Ин-теллектуализированная система подачи субстрата (ИСПС) в биореактор для анаэробной обработки предназначена для оптимизации кратности загрузки субстрата в анаэробный биореактор и состоит из независимых систем определения и контроля параметров анаэробной обработки: определение кислотности субстрата в биореакторе; определение скорости выхода биогаза; контроль подачи подготовленного субстрата по определенным кислотности субстрата и скорости выхода биогаза; контроль температуры подаваемого субстрата по заданному температурному режиму анаэробной обработки; контроль температуры в анаэробном биореакторе по заданному температурному режиму анаэробной обработки.
Технологическая схема интеллектуализи-рованной системы подачи субстрата в биореактор для анаэробной обработки представлена на рисунке 1. Работа алгоритма интеллек-туализированной системы подачи субстрата в биореактор для анаэробной обработки представляет собой циклическое выполнение алгоритмов независимых систем определения и контроля параметров анаэробной обработки. Завершение работы алгоритма про-
исходит при обесточивании приборов, входящих в ИСПС [9,10]. Основными датчиками интеллектуализированной системы подачи субстрата в биореактор для анаэробной обработки являются следующие датчики: датчик контроля уровня 1-А; датчики измерения температуры 2-А, 3-А, 7-А, 8-А; датчики измерения рН 4-А и 5-А; датчик измерения расхода 6-А. Места установки датчиков, а также их возможный тип и пределы измерения приведены в таблице 2.
Таблица 1. Обозначения на рис. 1
1 емкость загрузки
2 насос загрузки
3 теплообменник для предварительного нагрева субстрата
4 система клапанов загрузки
5 анаэробный биореактор
6 устройство загрузки
7 газовое пространство реактора
8 клапан биогаза
9 счетчик газа
10 устройство выгрузки
11 теплообменник анаэробного биореактора
12 клапан перемешивания
13 насос перемешивания
14 емкость выгрузки
1-А поплавковый датчик уровня
1-В преобразователь сигнала в стандартный токо-
вый сигнал 4-20 мА
1-С модуль ввода МВ 110.8 А
1-Б программируемый логический контроллер
2-А термосопротивление ДТС 50М
2-В преобразователь термоЭДС в стандартный то-
ковый сигнал 4-20 мА
3-А термосопротивление ДТС 50М
3-В преобразователь термоЭДС в стандартный то-
ковый сигнал 4-20 мА
4-А рН-электрод комбинированный
4-В преобразователь ЭДС в стандартный токовый сигнал 4-20 мА
5-А рН-электрод комбинированный
5-В преобразователь ЭДС в стандартный токовый сигнал 4-20 мА
6-А счетчик газа
6-В преобразователь сигнала в стандартный токовый сигнал 4-20 мА
7-А термосопротивление ДТС 50М
7-В преобразователь термоЭДС в стандартный то-
ковый сигнал 4-20 мА
8-А термосопротивление ДТС 50М
8-В преобразователь термоЭДС в стандартный то-
ковый сигнал 4-20 мА
9-А и-образный манометр
Рис. 1. Технологическая схема интеллектуализированной системы подачи субстрата в биореактор для анаэробной обработки: 1 - емкость загрузки; 2 - насос загрузки; 3 - теплообменник для предварительного нагрева субстрата; 4 - клапан загрузки; 5 - метантенк; 6 - устройство загрузки; 7 - газовое пространство реактора; 8 - датчик давления биогаза в реакторе; 9 - сбросной клапан; 10 - устройство выгрузки; 11 - теплообменник биореактора; 12 - клапан перемешивания; 13 - насос перемешивания; 14 - емкость выгрузки; 15 - обратный клапан; 16 - ресивер биогаза; 17 - датчик давления биогаза в ресивере; 18 - мокрый газгольдер; 19 - подающий клапан биогаза; 20 - компрессор биогаза; 21 - колокол мокрого газгольдера.
Датчик контроля уровня 1-А совместно с программируемым логическим контроллером (ПЛК) 1-0 предусмотрен для контроля следующих параметров: защита насоса загрузки -2 от «сухого хода»; отключение теплообменника для предварительного нагрева субстрата -3 в случае недостаточного уровня органических отходов в емкости загрузки -1; подача подготовленного субстрата в анаэробный биореактор -5 в пределах от до ё.
Уставка температуры, измеряемой датчиком 2-А, настроена на температуру срабатывания 56оС, а уставка температуры, измеряемой датчиком 3-А, настроена на температуру 75оС, что связано с применением термофильного режима анаэробной обработки и теплотехническими свойствами органических отходов. Уставка уровня рН, измеряемого датчиком 5-А настроена на предел 6,4-7,8, а ус-
тавка уровня рН, измеряемого датчиком 4-А - на более широкий диапазон: от 3,0 до 8,0.
Уставка температуры, измеряемой датчиком 6-А, настроена на температуру срабатывания 55оС, а уставка температуры, измеряемой датчиком 7-А - на температуру 75оС, что связано с применением термофильного режима анаэробной обработки и теплотехническими свойствами органических отходов. Счетчик газа -9 совместно с датчиком 6-А предназначен для измерения выхода и скорости выхода биогаза из анаэробного биореактора -5. При этом уставка величины скорости выхода газа настроена на теоретически максимальную, которая определяется экспериментально в период запуска анаэробного биореактора -5. Показывающий и-образный манометр (датчик 7-А) предназначен для визуального контроля уровня в биореакторе.
Таблица 2. Датчики ИСПС
Обозначение датчика Измеряемая величина Место установки Возможный тип датчика Пределы измерений
1-А Уровень в емкости загрузки -1 Емкость загрузки -1 Поплавковый датчик уровня От ё1/8 до ё/8*, мм
2-А Температура в емкости загрузки -1 Емкость загрузки -1 Термосопротивление ДТС-50М -50...+120 0С
3-А Температура в теплообменнике для предварительного нагрева - 3 Теплообменник для предварительного нагрева -3 Термосопротивление ДТС-50М -50...+120 0С
4-А Уровень рН в емкости загрузки -1 Емкость загрузки -1 рН-электрод ЭСК-10603/7 рН 0-12
5-А Уровень рН в анаэробном биореакторе -5 Анаэробный биореактор -5 рН-электрод ЭСК-10603/7 рН 0-12
6-А Расход (выход) биогаза из анаэробного биореактора -5 Счетчик газа -9 В зависимости от производительности анаэробного биореактора От 0 до м3
7-А Температура в анаэробном биореакторе -5 Анаэробный биореактор -5 Термосопротивление ДТС-50М -50...+120 0С
8-А Температура в теплообменнике анаэробного биореактора -11 Теплообменник анаэробного биореактора -11 Термосопротивление ДТС-50М -50...+120 0С
9-А Давление в анаэробном биореакторе -5 Анаэробный биореактор -5 Показывающий И-образный манометр 0-500 мм вод. ст.
Примечания: * - - кратная доза суточной загрузки, м3; ё - доза суточной загрузки, м3; 8 - площадь сечения емкости загрузки, м2.
Все датчики ИСПС подключены к программируемому логическому контроллеру1-Б через преобразователь аналоговых сигналов (модуль ввода) 1 -С, получаемых от датчиков, в дискретные. Алгоритм работы ИСПС заключается в дробной подаче дозы суточной загрузки ё в анаэробный биореактор -5.
Кратность подачи дозы суточной загрузки подготовленного в емкости загрузки -1 субстрата определяется ИСПС по показаниям следующих датчиков: датчик уровня рН
4-А в емкости загрузки -1; датчик уровня рН
5-А в анаэробном биореакторе -5; датчик измерения расхода биогаза 6-А из анаэробного биореактора -5.
Параметры для работы ИСПС заданы следующими:
1. Обеспечение защиты насоса загрузки -2 от «сухого хода».
2. Отключение теплообменника для предварительного нагрева -3 при недостаточном уровне в емкости загрузки -1.
3. Поддержание температурного режима предварительного нагрева - 56оС.
4. Поддержание скорости выхода биогаза на заданном уровне.
5. Поддержание температурного режима в теплообменнике для предварительного нагрева - 75оС.
6. Переключение системы клапанов загрузки -4 совместно с насосом загрузки -2 для подачи кратной дозы суточной загрузки по показаниям датчиков.
7. Отвод получаемого биогаза с одновременным измерением выхода, скорости выхода и давления биогаза.
8. Поддержание уровня органических отходов в биореакторе.
9. Обеспечение массообмена, обеспечивающего смену объема биореактора не менее
I раза в сутки.
10. Отключение насоса перемешивания -13 с одновременным перекрыванием клапана перемешивания -12 при подаче кратной дозы суточной загрузки, обеспечивающее снижение проскока непрореагировавшего субстрата.
11. Поддержание температурного режима анаэробной обработки в биореакторе -5 -55оС.
12. Поддержание температурного режима в теплообменнике анаэробного биореактора -
II - 75оС.
Выводы. Предлагаемая интеллектуали-зированная система подачи субстрата в биореактор для анаэробной обработки позволяет уменьшить колебания скорости выхода биогаза из анаэробного биореактора без использования промежуточной накопительной емкости при одновременном поддержании оптимального для консорциума анаэробных микроорганизмов уровня рН.
Литература:
1. Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов / Кожевникова А.Н. и др. М., 2016. 320 с.
2. Ковалев А.А., Кожевникова А.Н. Результаты исследований очистки навозных стоков в анаэробных биофильтрах // Сб.тр. ВНИИМЖ. Т. 6. Подольск, 1997.
3. Ковалев А.А. Энергетические аспекты использования биомассы на животноводческих фермах России // Российский химический журнал. 1997. № 6. С.100.
4. Ковалев А.А., Калюжный С.В., Ножевникова А.Н. Анаэробный биофильтр. М., 1997.
5. Kalyuzhnyi S. The Development of Biotechnological Methods for Utilisation and Treatment of Diluted Manure Streams // IV Int. Conf. IBMER. Warshawa, 1998.
6. Repeated pulse feeding induces functional stability in anaerobic digestion // Microb Biotechnol. 2013. № 6(4).
7. Effect of feeding frequency and organic loading rate on biomethane production in the anaerobic digestion of rice straw // Applied Energy. 2017. V. 207. P. 156-165.
8. Intermittent fasting for microbes: how discontinuous feeding increases functional stability in anaerobic digestion / Bonk F. et al. URL: https://doi.org/10.1186/s13068-018-1279-5
9. Методы оценки энергопотенциала возобновляемых источников по сельским регионам / Юферев Л.Ю. и др. М., 2017. 198 с.
10. Ковалев А.А. Алгоритм работы системы автоматического управления и контроля параметров процесса анаэробной обработки органических отходов при повышенном давлении в биореакторе экспериментальной установки // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 2. С.180-185.
Literatura:
1. Biotekhnologiya i mikrobiologiya anaehrobnoj perera-botki organicheskih kommunal'nyh othodov / Nozhevni-kova a.n. i dr. M., 2016. 320 s.
2. Kovalev A.A., Nozhevnikova A.N. Rezul'taty issledo-vanij ochistki navoznyh stokov v anaehrobnyh biofil'trah // Sb.tr. VNIIMZH. T. 6. Podol'sk, 1997.
3. Kovalev A.A. Ehnergeticheskie aspekty ispol'zovaniya biomassy na zhivotnovodcheskih fermah rossii // Rossij-skij himicheskij zhumal. 1997. № 6. S.100.
4. Kovalev A.A., Kalyuzhnyj S.V., Nozhevnikova A.N. Anaehrobnyj biofil'tr. M., 1997.
5. Kalyuzhnyi S. The development of biotechnological methods for utilisation and treatment of diluted manure streams // Iv int. Conf. IBMER. Warshawa, 1998.
6. Repeated pulse feeding induces functional stability in anaerobic digestion // Microb biotechnol. 2013. № 6(4).
7. Effect of feeding frequency and organic loading rate on biomethane production in the anaerobic digestion of rice straw // Applied energy. 2017. V. 207. P. 156-165.
8. Intermittent fasting for microbes: how discontinuous feeding increases functional stability in anaerobic digestion / Bonk F. Et al. URL: https://doi.org/10.1186/s13068-018-1279-5
9. Metody ocenki ehnergopotenciala vozobnovlyaemyh istochnikov po sel'skim regionam / Yuferev L.YU. I dr. M., 2017. 198 s.
10. Kovalev A.A. Algoritm raboty sistemy avtomatiche-skogo upravleniya i kontrolya parametrov processa ana-ehrobnoj obrabotki organicheskih othodov pri povyshen-nom davlenii v bioreaktore ehksperimental'noj ustanovki // Innovacii v sel'skom hozyaj-stve. 2018. № 2. S.180-185.
THE INTELLECTUALIZED SYSTEM OF THE SUBSTRATE'S SUPPLY IN THE ANAEROBIC PROCESSING'S
BIOREACTOR
A.A. Kovalev, candidate of technical sciences D.A. Kovalev, candidate of technical sciences FGBNY FNAC VIM
Abstract. The of organic waste's biological conversion methods using for biogas and high-quality organic fertilizers obtaining at simultaneous solving a number of environmental protection from pollution's issues is an urgent task. The aim of the work is an intellectualized system of substrate supplying (ISPS) into a bioreactor for anaerobic treatment to develop and its impact on organic matter's anaerobic bioconversion continuous process's efficiency and stability to assess. The paper anaerobic treatment's main controlling parameters is presented. The ISPS description, and also its technological scheme is given. The intellectualized system's algorithm of substrate supply in the bioreac-tor for anaerobic treatment work is an independent systems' algorithms for anaerobic treatment's parameters of determining and controlling's cyclic execution. The system's main sensors and actuators' mechanisms description and location are given. The ISPS operation's parameters and settings are shown. It is shown that the proposed intel-lectualized system of substrate's supply in anaerobic treatment's bioreactor allows fluctuations of biogas release speed from the anaerobic bioreactor without the intermediate storage capacity using at the simultaneous anaerobic microorganisms' consortium for optimal pH level maintaining to reduce. Keywords: biogas installation, organic wastes, intellectualized system of substrate's supply.
