CC BY
2
Научная статья УДК 631.86
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАБОТЫ БИОФЕРМЕНТАТОРА
КАМЕРНОГО ТИПА
Александр Сергеевич Романов
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
[email protected] ORCГО: 0009-0004-6604-5735
Аннотация. Биоферментация является сложным биохимическим процессом, в основе которого лежит жизнедеятельность микроорганизмов в условиях повышенной температуры. Процесс биоферментации органических отходов считается полноценным при установившемся термофильном режиме работы установки в диапазоне температур 55-80°° при которых происходит обеззараживание перерабатываемой смеси от патогенной микрофлоры. Для поддержания такого режима необходимо обогащать ферментируемую смесь кислородом в течение всего процесса. Однако в силу конструктивных особенностей системы аэрации в камерном биоферментаторе и направленности воздушного потока часть смеси оказывается не обогащена кислородом, и температура в данных частях смеси может не достигать критических значений. Цель исследования - определение необходимого тепловыделения перерабатываемой органической смеси, исходя из условия прохождения процесса равномерного саморазогрева смеси во всех слоях до температуры обеззараживания. Для упрощения и проведения дальнейших расчетов было принято, что на выходе из перфорированных отверстий воздушный поток образует форму конуса с углом между образующими 90°. Необходимо добиться таких параметров и режимов работы биоферментационной установки, при которых температура не обогащенных кислородом слоев смеси будет достигать 55 °С за счет теплопередачи от более нагретых слоев смеси к менее нагретым. Для решения данной задачи было решено обратиться к уравнению теплового баланса. Проведен тепловой расчет биоферментатора с ранее обоснованными параметрами, в результате чего, исходя из условия прохождения процесса саморазогрева перерабатываемой смеси до температуры обеззараживания 55°, определили минимальное количество теплоты, необходимое для обеззараживания всей смеси, которое составило 5210910 кДж. Выведено уравнение, представляющее собой условие саморазогрева смеси при отличных от принятых в расчете параметрах смеси и биоферментатора. В результате дальнейших экспериментальных исследований по ходу выявления данных о неравномерности разогрева смеси планируется скорректировать данное уравнение путем введения уточняющих коэффициентов.
Ключевые слова: экологическая безопасность, технология переработки, биоферментатор, органическое удобрение, тепловой расчет
Для цитирования: Романов А.С. Определение теплового режима работы биоферментатора камерного типа // АгроЭкоИнженерия. 2024. № 2(119). С. 82- 92 https://doi.org/
Research article
Universal Decimal Code УДК 631.86
DETERMINING THE THERMAL OPERATING MODE OF A CHAMBER FERMENTER
Alexander S. Romanov
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) -branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
[email protected] ORCID: 0009-0004-6604-5735
Abstract. Fermentation is a complex biochemical process based on the vital activity of microorganisms at elevated temperatures. The fermentation of organic waste is considered to be complete when the installation operates in the established thermophilic mode in the temperature range of 55-80°Cand the processed mixture is disinfected from pathogenic microflora. To maintain this mode, the fermented mixture must be enriched with oxygen throughout the process. However, due to the design features of the aeration system in the chamber fermenter and the direction of the airflow, parts of the mixture do not receive enough oxygen. The temperature in these areas may not reach critical levels. The aim of the study was to determine the required heat release of the processed organic mixture under conditions of uniform self-heating of the mixture in all layers to the disinfection temperature. For the sake of simplicity and further calculations, the study assumed that at the outlet of the perforated holes, the airflow forms a cone with 90° angle between the generator lines. It is necessary to achieve such fermenter parameters and operating modes, when the temperature the non-oxygenated layers of the mixture reaches 55°C due to the heat transfer from more to less heated layers. To solve this problem, the study turned to the heat balance equation. A thermal calculation of a biofermenter with previously justified parameters showed that the minimum heat required for disinfection of the entire mixture was 5210910 kJ, when the processed mixture self-heated to the disinfection temperature of 55° . The study derived an equation describing the condition for self-heating of the mixture at under different parameters from those used in the calculation of the mixture and the fermenter. Further experimental studies are expected to correct this equation by introducing clarifying coefficients to determine the data for non-uniform heating of the mixture.
Key words: environmental safety, processing technology, fermenter, organic fertilizer, thermal calculation
For citation: Romanov A.S. Determining the thermal operating mode of a chamber fermenter. AgroEcoEngineering. 2024; 2(119): 82-92 (In Russ.) https://doi.org/
Финансирование
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №24-2600232 «Модели и методы проектирования и управления экзотермической ферментационной переработкой побочных продуктов животноводства, обеспечивающие снижение выбросов климатически активных веществ», https://rscf.ru/project/24-26-00232/)
Введение. Сельскохозяйственная отрасль неразрывно связана с образованием большого количества отходов. В России объем таких отходов достигает порядка 630-650 млн. тонн в год. В связи с этим актуальной проблемой в сельском хозяйстве является процесс переработки органических отходов в удобрение. Существует много способов переработки органических отходов. Одним из них является биоферментация органических отходов в установках камерного типа. Данный способ является наиболее перспективным для небольших сельскохозяйственных предприятий. К его преимуществам по сравнению с пассивным и активным компостированием, также активно применяющихся на небольших предприятиях и фермерских хозяйствах, можно отнести более сжатые сроки переработки (79 дней), более однородный состав смеси, независимость от погодных условий [1-4]. Также существует возможность значительно снизить теплопотери ввиду отсутствия прямого контакта перерабатываемой смеси с окружающей средой, что в перспективе, при создании определенных условий, может позволить сократить количество образуемых климатически активных веществ.
Биоферментация представляет собой процесс окисления части органического вещества, причем биодеградация органического вещества происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов в условиях повышенной температуры.
Как и в случае переработки органических отходов на открытых площадках, к недостаткам камерных биоферментаторов можно отнести неоднородность температуры по сечению перерабатываемой органической смеси ввиду удаленности верхних слоев смеси от основного потока воздуха и отсутствия механизмов, позволяющих перемешивать смесь [2].
Данная проблема ведет к тому, что в результате переработки получается продукт более низкого качества. Помимо этого, в результате протекающих биохимических процессов при аэробной биоферментации увеличивается количество выбросов климатически активных веществ, что оказывает негативное воздействие на окружающую среду. К таким веществам относятся, прежде всего, углекислый газ и закись азота, а также метан, образующийся в результате возникновения анаэробных зоны в перерабатываемой смеси.
Для создания условий активной жизнедеятельности микроорганизмов в условиях повышенной температуры необходимо добиться равномерного разогрева перерабатываемой смеси. В частности, влияние на равномерность разогрева могут оказывать конструктивные параметры биоферментатора и режим работы: заданные расстояния между перфорированными трубами, расстояния между отверстиями в них, время аэрации. Для установления степени влияния данных факторов на процесс саморазогрева смеси необходимо знать удельное тепловыделение перерабатываемой смеси, а также провести тепловой расчет биоферментатора.
Цель исследования - определение необходимого тепловыделения перерабатываемой органической смеси, исходя из условия прохождения процесса равномерного саморазогрева смеси до температуры обеззараживания во всех слоях.
Материалы и методы. Биоферментацию принято делить на четыре стадии: мезофильная, термофильная, остывание, созревание (рис. 1), в течение которых меняются температура перерабатываемой смеси, влажность, кислотность, масса, микробиологический и химический состав смеси [5].
г, °с
т
1II
так
70
60
50
40
30
20
10
ЖИВОТНЫХ
Образование гуминовых кислот
II
III
IV Время
Рис.1. Стадии процесса биоферментации Fig. 1. Fermentation stages
Данные стадии различаются по продолжительности. Так, например, мезофильная, термофильная и стадия остывания могут быть длительностью от нескольких суток до нескольких недель, а стадия созревания - до нескольких месяцев. Наиболее интенсивной стадией переработки является термофильная фаза ввиду повышенной активности термофильных микроорганизмов в сравнении с мезофильными или психрофильными, которые более активны в начале процесса биоферментации.
Термофильная стадия наступает при достижении температуры отметки свыше 45 °С При этом температура в смеси может достигать значений 70-80°С Ключевой температурой, при которой процесс биоферентации органических отходов считается успешным, является температура 55 °С При данной температуре происходит уничтожение патогенной микрофлоры, личинок мух, семян сорняков, которые могут содержаться в перерабатываемой
14
органической смеси .
Для достижения цели исследования обратимся к уравнению теплового баланса [6]:
Qcu = Qn + Qrn + Qeos + Queen (1)
(1)
где Qcм - количество теплоты, выделяемое в процессе биохимического окисления органического вещества смеси, кДж;
Qн - потери тепла на нагрев перерабатываемой смеси, кДж; Qm - потери тепла во внешнюю среду, кДж; Q603 - потери тепла на нагрев аэрирующего воздуха, кДж; Qиcп - потери тепла на испарение влаги, кДж.
14 Кузнецов А. Е., Градова Н. Б., Лушников С. В. и др. Прикладная экобиотехнология. М.: «БИНОМ. Лаборатория знаний». 2012. Том 1. 638 с.
Расчеты будут вестись для биоферментационной установки камерного типа с теплоизолирующими стенками, параметры которой были обоснованы в ранее проведенном исследовании [7]. Рабочий объем камеры биоферментатора составляет 8 м . Вместимость -до 5200 кг органических отходов плотностью 650 кг/м .
Перерабатываемая органическая смесь должна соответствовать следующим параметрам15:
• Влажность W - 55-65%;
а
• Плотность р - 600 - 800 кг/м .
• Кислотность рН - 7,5-8,5;
• Соотношение углерода и азота - (20-30):1.
Результаты . Для поддержания заданного теплового режима необходимо обогащать перерабатываемую смесь кислородом в течение всего процесса биоферментации. Особенно это важно при переработке отходов в установках камерного типа, для которых в силу конструктивных особенностей самой камеры и системы аэрации [7] часть смеси оказывается не обогащена кислородом (рис. 2), следовательно, температура в этих частях смеси может не достигать критического значения 55 °С
Рис. 2. Аэрация в камерном биоферментаторе Fig. 2. Aeration in a chamber fermenter
Данное явление неизбежно ввиду направленности воздушного потока и отсутствия дополнительных устройств, позволяющих перемешивать смесь для ее равномерной переработки. Внедрение дополнительных устройств по перемешиванию сделает конструкцию камерного биоферментатора значительно более сложной и дорогостоящей.
15 Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помёта РД-АПК 1.10.15.02-17*: (Изменение № 1). М.: Росинформагротех, 2020. 188 с.
Для того, чтобы аэрация смеси происходила как можно более равномерно, следует выдерживать такие расстояния между перфорированными трубами и отверстиями в них, чтобы минимизировать те участки смеси, которых не достигает подаваемый воздух [8].
С целью проведения дальнейших расчетов примем, что на выходе из перфорированных отверстий воздушный поток образует форму конуса с углом между образующими 90° [9]. Следовательно, остается какая-то часть смеси, которая не обдувается воздухом (рис. 3).
Рис. 3. Участки, не обогащенные кислородом Fig. 3. Non-oxygenated areas
Необходимо добиться таких параметров и режимов работы биоферментационной установки, при которых температура не обогащенных кислородом слоев смеси будет достигать 55°Сза счет теплопередачи от более нагретых слоев смеси к менее нагретым.
Уравнение (1) представляет собой условие саморазогрева смеси. При заданных параметрах смеси, биоферментатора и внешних условиях в развернутом виде данное выражение будет выглядеть следующим образом:
À
Ом VcmPcmCcm n ^ ^ VcmРемСвозД/ eo3kв ^ VcMPCMCnkw
(2)
где Ум = 8 м3 - объем компостируемой смеси;
3 „
Рсм = 650 кг/м - плотность компостируемой смеси;
С см =3,3 кДж/(кг°° - удельная теплоемкость компостируемой смеси16;
&н = 45° - разница между конечной (55°° и начальной (10°° температурами
17
компостируемой смеси ;
Л= 0,035 Вт/(м°° - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя камеры биоферментатора18;
16 Петренко О.И. Параметры процесса компостирования помётосоломенных смесей в камерных ферментаторах: дисс. ... канд. техн. наук. Краснодар, 2003. 160 с.
17 Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помёта РД-АПК 1.10.15.02-17*: (Изменение № 1). М.: Росинформагротех, 2020. 188 с.
18 Пенопласт, экструдированный пенополистирол: коэффициент теплопроводности сравнение и характеристики (m-strana.ru) [Электронный ресурс]. URL: https://m-strana.ru/artides/penoplast-teploprovodnost/ (дата обращения 03.06.2024 г.)
О = 0,05 м - толщина теплоизоляционного слоя камеры биоферментатора; ¥ = 24 м2 - площадь теплообмена компостируемой смеси камеры биоферментатора с внешней средой;
=45° - разница между температурами с внутренней и внешней стороны
теплоизоляционного слоя камеры биоферментатора. Принимаем равной разнице между конечной и начальной температурами компостируемой смеси;
Своз = 1,005 кДж/(кг°() - удельная теплоемкость воздуха19;
А^воз =45°° - разница между конечной и начальной температурами воздуха. Принимаем равной разнице между конечной и начальной температурами компостируемой смеси;
кв = 8,88 кг возд./кг - удельный расход воздуха, с учетом плотности воздуха 1,2 кг/м3 и объема воздуха 7,4 м3 [7];
Сп = 2260 кДж/кг - удельная теплота парообразования20;
к№ =0,2 кг исп. воды/кг - отношение количества испарившейся воды к массе смеси с
учетом потери влажности 20% [6];
Таким образом, количество теплоты, необходимое для обеззараживания всей перерабатываемой смеси будет равно:
^ = 772200 + 0,756 + 2088310 + 2350400 = 5210910 кДж (3)
С учетом наличия анаэробных зон, при отличных от принятых в расчете параметрах смеси и биоферментатора условие саморазогрева смеси будет выглядеть следующим образом:
—
(Км - V Ъсм Чсм > Км РсмСсм Ан + — ¥АК + Км Р смСвооМ возк в + ¥см РсмСп К (4)
О
где V' - объем анаэробных зон перерабатываемой смеси; Чсм - удельное тепловыделение компостируемой смеси, кДж/кг;
При этом, удельное тепловыделение перерабатываемой смеси должно соответствовать следующему условию:
Л
V Р С М + — ¥Аг + V Р С М к + V Р С к
см/ см см н с т см/ см воз воз в см/ см п
Ч >-0--(5)
Чсм (V -V')р
м м
Обсуждение. Таким образом, зная удельное тепловыделение перерабатываемой смеси, можно говорить о потенциальной возможности определять рациональные параметры
19 Свойства воздуха: состав, плотность, теплоемкость, теплопроводность и вязкость воздуха (yuson.by) [Электронный ресурс]. URL: https://yuson.by/svoystva-vozduha/ (дата обращения 03.06.2024)
20 Теплота испарения. [Электронный ресурс]. URL: https://bigenc.ru/c/teplota-ispareniia-fd9d0a?ysclid=lwp0h3ow2f740347802 (дата обращения 03.06.2024)
88
системы аэрации биоферментационной установки камерного типа, при которых достигается температура обеззараживания (55°°) во всех слоях компостируемой смеси. На основании полученных данных о потерях тепла во внешнюю среду можно сделать вывод о перспективе выявления параметров и режимов процесса биоферментации в установке камерного типа с целью сокращения количества образуемых климатически активных веществ.
Для дальнейших расчетов и выводов, а также оптимизации процесса биокомпостирования [10] необходимы данные по неравномерности разогрева ферментируемой смеси при различных параметрах аэрации, которые могут быть получены путем проведения экспериментальных исследований.
Выводы. В результате проведенного теоретического исследования проанализированы микробиологические аспекты процесса биоферментации, сделаны выводы о ключевом влиянии термофильных микроорганизмов на процесс биоферментации для достижения температуры обеззараживания 55 °С.
Проведен тепловой расчет биоферментационной установки камерного типа с обоснованными в предыдущих исследованиях параметрами и режимом работы, при заданных внешних условиях и физических свойствах смеси. Выявили минимальное количество теплоты, необходимое для обеззараживания всей смеси, которое составило 5210910 кДж.
Представленная методика расчета позволяет подобрать рациональные параметры и режимы работы биоферментатора, исходя из внешних условий, потенциальных теплопотерь и количества образуемых климатически активных веществ. Для более точных расчетов необходимо учитывать наличие анаэробных зон в камере биоферментатора, образование которых может привести к увеличению выбросов климатически активных веществ, в особенности метана, и в итоге усилит негативное воздействие на окружающую среду. Для расчетов необходимо иметь данные по неравномерности разогрева ферментируемой смеси при различных параметрах аэрации, которые могут быть получены путем проведения экспериментальных исследований.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Романов А.С., Васильев Э.В. Анализ интенсивных технологий переработки побочных продуктов животноводства с внедрением альтернативных источников энергии // Техника и технологии в животноводстве. 2022. № 4(48). С. 90-97. https://doi.org/ 10.51794/27132064-2022-4-90
2. Агапкин А.М., Махотина И.А. Переработка сельскохозяйственных отходов: рынок органических удобрений и производство органических пищевых продуктов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2021. № 3. С. 212-225. https://doi .org/10.36107/spfp.2021.221
3. Самсонов А.Н., Тончева Н.Н., Кузнецов Н.Н. К вопросу об утилизации навоза на фермах крупного рогатого скота // Инновационные технологии и современные материалы в автомобилестроении: сб. науч. тр. по материалам Международной заочной научно -практической конференции (Чебоксары, 15 апреля 2016 года) / Под ред. Н. Н. Тончевой. Чебоксары: Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева, 2016. С. 80-85.
4. Шалавина Е.В., Уваров Р.А., Васильев Э.В., Фрейдкин И.А. Результаты поисковых экспериментов биоферментации твердой фракции свиного навоза // Технологии и
технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 2(99). С. 326-334. https://doi.org/10.24411/0131-5226-2019-10179
5. Криволапов И. П. Анализ биохимических процессов при компостировании // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. 2010. № 1. С. 65-68 URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=16690608
6. Колдин М.С., Криволапов И.П. Определение теплофизических характеристик компостируемого материала в процессе биоферментации // Наука и Образование. 2022. № 5 (1), 110 URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48462006
7. Романов А.С., Васильев Э.В. Аэродинамический расчет системы воздуховодов автономного биоферментатора камерного типа // АгроЭкоИнженерия. 2023. № 2(115). С. 3545. https://doi.org/10.24412/2713-2641-2023-2115-35-45
8. Алимов А.Ю., Куденко В.Б. Результаты экспериментальных исследований потерь напора воздуха в аэрационных трубах // Наука и Образование. 2019. № 2 (2). С. 199. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38578429
9. Хмыров В.Д., Горелов А.А., Ненахов А.А. Теоретические исследования процесса истечения воздуха из воздуховодных труб аэратора буртов навоза // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. 2010. № 2. С. 232-235 URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=16727117
10. Керимов М.А., Валге А.М. Оптимизация и принятие решений в агроинженерии. М.: Колос-с, 2021. 460 с.
REFERENCES
1. Romanov A.S., Vasiliev E.V. Analysis of livestock's by-products processing intensive technologies at the alternative energy sources introducing. Tekhnika i Tekhnologii v Zhivotnovodstve = Machinery and Technologies in Livestock. 2022; 4(48): 90-97 (In Russ.). https://doi.org/10.51794/27132064-2022-4-90
2. Agapkin A.M., Makhotina I.A. Agricultural waste processing: organic fertilizer market and organic food production. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya = Storage and Processing of Farm Products. 2021; 3: 212-225 (In Russ.) https://doi.org/10.36107/spfp.2021.221
3. Samsonov A. N., Toncheva N. N., Kuznetsov N. N. On manure utilization on cattle farms. In: N. N. Toncheva (ed.) Innovative technologies and modern materials in the automotive industry: Proc. Int. Virtual Sci. Prac. Conf. (Cheboksary, April 15, 2016) Cheboksary: Chuvash State Pedagogical University named after I. Ya. Yakovlev, 2016: 80-85 (In Russ.)
4. Shalavina E.V., Uvarov R.A., Vasilev E.V., Freidkin I.A. Pilot study findings of biofermentation of the solid fraction of pig manure. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva = Technologies, machines and equipment for mechanised crop and livestock production. 2019; 2(99): 326-334 (In Russ.) https://doi.org/10.24411/0131-5226-2019-10179
5 Krivolapov I.P. Analysis process biochemical of composting. Vestnik Michurinskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta = The Bulletin of Michurinsk State Agrarian University. 2010; 1 (76): 16-20 (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=16690608
6. Koldin M.S., Krivolapov I.P. Determination of thermophysical characteristics of composted material in the process of biofermentation // Nauka i obrazovanie = Science and Education. 2022; 5 (1), 110 (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48462006
7. Romanov A.S. Vasiliev E.V. Aerodynamic calculation of an air ducting system for an autonomous chamber type biofermenter // AgroEcoEngineering. 2023. No. 2(115). pp. 35-45. DOI 10.24412/2713-2641-2023-2115-35-45 (In Russ.).
8. Alimov A.Yu., Kudenko V.B. The results of experimental studies of loss of air pressure in the aeration pipes. Nauka i obrazovanie = Science and Education. 2019; 2 (2): 199 (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38578429
9. Hmyrov V.D., Gorelov A.A., Nenahov A.A. Theoretical research on the process of air expiration from pressure-blowing pipes of clamp manure aerators // Vestnik Michurinskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta = The Bulletin of Michurinsk State Agrarian University. 2010; 2: 232-235 (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=16727117
10. Kerimov M.A., Valge A.M. Optimization and decision making in agroengineering. Moscow: Kolos-s Publ., 2021. 460 p. (In Russ.)
Об авторе About the author
Романов Александр Сергеевич, младший научный сотрудник, отдел анализа и прогнозирования экологической устойчивости агроэкосистем, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Фильтровское шоссе, д. 3, п. Тярлево, Санкт-Петербург, 196634, Россия [email protected] ORCID: 0009-0004-6604-5735 Alexander S. Romanov, junior researcher, Department of Analysis and Forecasting of Environmental Sustainability of Agroecosystems, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM; 3, Filtrovskoje Shosse, Tiarlevo, Saint Petersburg, 196634, Russia [email protected] ORCID: 0009-0004-6604-5735
Заявленный вклад автора Автор выполнил все функции проекта. Author's contribution Single author article - the author fulfilled all the functions in the project
Конфликт интересов Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов Conflict of interests The author declares no conflict of interests regarding the publication of this paper
Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи к публикации The author has read and agreed to the published version of the manuscript.
Статья поступила в редакцию: 03.06.2024 Received: 03.06.2024
Одобрена после рецензирования: 14.06.2024 Approved after reviewing: 14.06.2024
Принята к публикации: 25.06.2024 Accepted for publication: 25.06.2024
