CC BY
8
УДК 631.338.92 DOI 10.22314/27132064-2023-1-89
СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ СУБСТРАТА В АНАЭРОБНОМ
ФИЛЬТРЕ
A.В. Абросимов, аспирант
Ф.А. Васильев, кандидат технических наук
B.К. Евтеев, кандидат технических наук, профессор
Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского E-mail: fvasilji ev@yandex. ru
Реферат. В настоящее время на животноводческих предприятиях существует проблема переработки побочной продукции. Одним из наиболее перспективных способов переработки животноводческих стоков является анаэробное сбраживание в анаэробных фильтрах. Существенный недостаток таких установок - заиливание и забивание их рабочего пространства. Цель исследования - седиментационный анализ поведения субстрата в анаэробном фильтре для обоснования применения в нем циклических гидродинамических возмущений, препятствующих осаждению дисперсных частиц. Рассмотрено поведение единичной дисперсной частицы в объеме субстрата. Выявлено, что на эту частицу действуют сила тяжести (Ртяж), сила Архимеда (¥лр) и сила трения (.Ттрен). Определено, что на скорость осаждения частицы в субстрате оказывают влияние такие параметры, как объем частицы (Уч), площадь ее поперечного сечения (Б) и разность плотностей частицы и среды (Рч — Рср). Приведена зависимость массы осажденных частиц от времени их осаждения в виде седиментационных кривых. Разработана технология анаэробного сбраживания побочной продукции с возможностью создания циклических гидродинамических возмущений для предотвращения осаждения дисперсных частиц путем барботирования, изменения давления и скорости движения субстрата в анаэробном фильтре. Выявлена необходимость проведения экспериментальных исследований для определения оптимальных параметров анаэробного фильтра, влияющих на процесс седиментации дисперсных частиц в субстрате.
Ключевые слова: анаэробное сбраживание, метантенк, анаэробный фильтр, субстрат, седиментация, дисперсная частица, гидродинамическое возмущение.
Для цитирования: Абросимов А.В., Васильев Ф.А., Евтеев В.К. Седиментационный анализ субстрата в анаэробном фильтре // Техника и технологии в животноводстве. 2023. № 1(49). С. 89-94. EDN WKSKZU
Введение. Анаэробное сбраживание орга-носодержащих субстратов является одним из наиболее перспективных направлений развития биоэнергетического комплекса. Оно представляет собой многоступенчатый процесс, осуществляющийся при участии различных микроорганизмов и протекающий изолированно от окружающей среды.
В результате анаэробного сбраживания органические вещества разлагаются с образованием биогаза - смеси метана, углекислого газа, незначительного количества других газов и эффлюента - дезодорированного и девитализированного органического удобрения [6, 10, 15]. Анаэробное сбраживание осуществляется в метантенках различных конструкций [3, 7, 10, 12], которые подразделяются на классические метантенки (1-го поколения) для обработки концентрированных
субстратов с влажностью 85-97% и анаэробные фильтры (метантенки 2-го поколения) с фиксированной биомассой для обработки низкоконцентрированных субстратов с влажностью 97-99,5% [2, 3, 7, 8, 12].
На крупных животноводческих комплексах используются, в основном, гидравлические системы удаления навоза, в результате чего получаются отходы высокой влажности, которые можно перерабатывать в анаэробном фильтре с применением биомассы, прикрепленной к твердому носителю (иммоби-лизатору). Применение такой биомассы создает условия для повышения концентрации микробной популяции, которая способна выдерживать большие перегрузки и перерывы в подаче субстрата. В анаэробных фильтрах существует проблема естественного осаждения дисперсных частиц, что может
привести к заиливанию и забиванию его рабочего пространства. Однако применение иммобилизатора затрудняет внедрение в конструкцию фильтра перемешивающих устройств, поэтому возникает необходимость изучения седиментационных процессов и их влияния на работу анаэробного фильтра.
Целью работы является седиментацион-ный анализ субстрата в анаэробном фильтре для разработки технологии анаэробного сбраживания отходов и побочной продукции животноводства с возможностью создания гидродинамических возмущений, предотвращающих осаждение дисперсных частиц.
На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи: проанализировать седиментационные процессы субстрата в анаэробном фильтре; разработать технологию анаэробного сбраживания органосодержа-щих субстратов.
Результаты исследований и обсуждение. Субстрат для сбраживания состоит из отходов животноводства и представляет собой полидисперсную систему (суспензию), состоящую из дисперсных частиц разного размера и самой среды (жидкости). Такие системы имеют способность к разделению на фракции под действием силы тяжести.
Рассмотрим поведение единичной частицы в объеме субстрата (рис. 1). Предполагаем, что она имеет правильную (шаровидную) форму, на нее действуют сила тяжести и сила Архимеда [9, 13].
Сила тяжести Ртяж определяется по формуле
(1)
К, -
^^Р 7Т
^тяж _ П • ^Ч • 9,
где Тч - плотность частицы, кг/м
3.
объем частицы, м3; д - ускорение свободного падения, м/с2.
Сила Архимеда ^р определяется выражением
= (2) где ТСр - плотность среды, кг/м3. Седиментационная сила, с учетом уравнений (1) и (2), определяется как равнодействующая:
рАр = (?ч-?ср)-Уч-д. (3) Вследствие того, что плотность частицы больше плотности среды, частица осаждается; такой процесс называется прямой седиментацией (рис. 1, а). Скапливание частиц в нижней части анаэробного фильтра может привести к его заиливанию [5, 9, 13]. Если же плотность частиц меньше плотности среды, частица всплывает (рис. 1, б). Этот процесс называется обратной седиментацией и способствует образованию корки на поверхности субстрата, которая будет препятствовать выделению биогаза [5, 9, 13].
а б
Рис. 1. Осаждение единичной частицы в объеме субстрата: а - прямая седиментация, ^Сед > 0; б - обратная седиментация, ^ед < 0.
Когда частица под действием силы седиментации приобретает скорость, наличие дисперсной среды приводит к появлению сил трения £ТреН, направленных противоположно вектору скорости движения:
1 трен Ь ^мид
Уср •и2
(4)
где ^ - коэффициент сопротивления среды; £мид - площадь миделевого сечения частицы, м2; и - скорость движения частицы, м/с.
В зависимости от свойств среды, параметров и скорости движения частицы, ее обтекание потоком субстрата может происходить в различных режимах. Каждому из них
соответствует свое значение коэффициента зависящее от числа Рейнольдса ^е). Если движение имеет ламинарный характер, ^ определяется по формуле [16]:
^ = 24Re-1. (5)
При промежуточных значениях (2<Re <500) эта зависимость определяется [16]: ^ = 18^е-06. (6)
При турбулентном режиме движения, когда Re > 500, коэффициент сопротивления имеет постоянное значение и равен 0,44 [18].
На частицы, имеющие неправильную форму, сопротивление со стороны среды возрастает. Коэффициент сопротивления таких частиц определяется по формуле [16]: ? = , (7)
где к - поправочный коэффициент, значение которого больше единицы.
Таким образом, суммарная сила, действующая на частицу в процессе движения, с учетом выражений (3) и (4) определяется:
Р = ^сед — ^грен = — ^ср) ' ^ч' 9 —
Уср^2
(8)
мид 2
В начальный период времени частица движется ускоренно. Это связано с малой силой сопротивления, действующей на эту частицу. С ростом скорости сила трения становится равной силе седиментации. Сумма всех сил, действующих на частицу, становится равной нулю. С этого момента частица движется с постоянной скоростью (и), которая вычисляется по формуле [9, 13, 14]:
U =
(9)
"V ^'^мид'^ср
Из выражения (9) видно, что скорость осаждения зависит от разности между плотностями частиц и среды — ^ср), а также зависит от объема (К!) и площади миделево-го сечения частицы (5мид). Представленные закономерности позволяют построить зависимости массы осажденных частиц от времени осаждения.
Рассмотрим дисперсную систему, содержащую частицы одного размера, плотность которых больше плотности среды (рис. 2, а). Как видно из графика, в начальный момент времени (^ = 0) все частицы находятся во
взвешенном состоянии. С течением времени (^ < т) частицы осаждаются, и масса осажденных частиц линейно возрастает. Через определенное время т все частицы осядут.
б)
Рис. 2. Зависимость массы осажденных частиц от времени осаждения: а - монодисперсная система; б - полидисперсная система
Масса осажденных частиц определяется по формуле:
(10)
т = т0 -,
где ш0 - суммарная масса частиц, кг; т -время, за которое осядут все частицы, с.
Рассмотрим осаждение полидисперсной системы (рис. 2, б). В данном случае частицы каждой фракции будут осаждаться со своей скоростью. Так, например, по истечении времени t-l осядут частицы самой крупной фракции, а самые мелкие частицы осядут по прошествии времени т4 .
Масса осажденных частиц каждой фракции может быть определена по формуле:
™.' = ™oif , (11)
т;
где т0£ - суммарная масса частиц /-й фракции, кг; т - время, за которое осядут все частицы /-й фракции, с.
Суммарная масса осевших частиц определяется:
^ = 1^. (12) При рассмотрении субстрата в виде дисперсной системы, состоящей из частиц разных размеров, наблюдаем, что чем меньше размер частиц, тем меньше скорость их осаждения. В условиях реального производства доизмельчение частиц ведет к увеличению
затрат, которые непросто сократить за счет увеличения выхода продукции сбраживания [11]. Поэтому целесообразно применить технологию сбраживания, способную создать циклические гидродинамические возмущения для предотвращения осаждения дисперсных частиц. Это можно осуществить за счет изменения давления, барботирования и изменения скорости движения субстрата.
Этим условиям удовлетворяет предлагаемая нами технология анаэробного сбраживания (рис. 3).
Рис. 3. Принципиальная схема технологии анаэробного сбраживания: 1 - буферная емкость; 2 - датчик давления в буферной емкости; 3 - насос для подачи субстрата; 4 - анаэробный фильтр; 5 - клапан подачи газа в буферную емкость; 6 - клапан подачи газа в газгольдер; 7 - датчик давления в анаэробном фильтре; 8 - датчик верхнего уровня; 9 - газгольдер; 10 - контроллер; 11 - датчик нижнего уровня; 12 - вентиль слива отработанного субстрата; 13 - клапан подачи газа в перфорированную трубу; 14 - перфорированная труба; 15 - датчик
температуры; 16 - иммобилизатор
Работа установки подразделяется на два цикла: заполнение и опорожнение. Управление циклами осуществляется контроллером с набором датчиков и исполнительных механизмов.
Цикл заполнения начинается с нижнего уровня субстрата в анаэробном фильтре (4). Вентиль слива (12) закрыт. Субстрат с помощью шлангового насоса (3) подается в рабочий объем анаэробного фильтра, при этом происходит его наполнение. Биогаз, выделяемый в процессе анаэробного сбраживания, поступает в буферную емкость (1), которая
служит для его накопления, давление в установке возрастает. По достижении определенного давления, заданного программой управления, или по заполнении анаэробного фильтра и достижении верхнего уровня в анаэробном фильтре контроллер (10) подает сигнал на закрытие клапана (5), и подача газа в буферную емкость прекращается. Открывается клапан (6) подачи газа в газгольдер (9). Из-за разности давлений в анаэробном фильтре и газгольдере биогаз активно выделяется из субстрата и поступает в газгольдер, производя первичное перемешивание и под-
нимая вверх осаждающиеся дисперсные частицы [1, 4]. По истечении заданного программой управления времени открывается клапан (13) подачи газа из буферной емкости (1) в перфорированную трубу (14). Происходит процесс барботирования, т. е. перемешивания субстрата потоком газа, что опять же способствует поднятию осевших дисперсных частиц.
Цикл опорожнения начинается с открытия вентиля слива субстрата. Применяется гидродинамическое возмущение за счет изменения скорости движения субстрата. Так как расход субстрата на слив значительно превышает его подачу, уровень субстрата в анаэробном фильтре снижается. По достижении субстратом нижнего уровня сливной вентиль закрывается, цикл опорожнения анаэробного фильтра заканчивается. Цикл заполнения начинается сначала.
Стоит отметить, что перемешивание субстрата за счет изменения давления и барбо-тирования может быть осуществлено несколько раз за цикл заполнения. Последовательные действия перемешивания и опорожнения анаэробного фильтра способствуют удалению обработанного субстрата, предотвращая кольматирование, зарастание и забивку рабочего пространства емкости анаэробного фильтра.
Выводы.
1. В результате анализа седиментацион-ных процессов субстрата в анаэробном фильтре выявлено, что на дисперсную частицу действуют сила тяжести (/ тяж), сила Архимеда (/Ар) и сила трения (/рен). Определено, что на скорость осаждения частицы в субстрате оказывают влияние такие параметры, как объем частицы ( Уч), площадь миделевого сечения частицы (5мид) и разность плотностей частицы и среды (^ч — 2^). Из чего следует, что чем меньше размер частиц, тем меньше скорость их осаждения, и наоборот.
2. Разработана технология анаэробного сбраживания с возможностью создания циклических гидродинамических возмущений для предотвращения осаждения дисперсных частиц за счет изменения давления, барботи-
рования, а также изменения скорости движения субстрата.
3. Необходимо проведение экспериментальных исследований для определения оптимальных рациональных параметров анаэробного фильтра, влияющих на процесс седиментации.
Литература:
1. Автоматизация технологических процессов при анаэробном сбраживании / А.В. Абросимов и др. // Научные исследования и разработки к внедрению в агропромышленном комплексе. Иркутск, 2022. С. 333-340.
2. Технология анаэробной переработки навозных стоков свиноводческого комплекса / А.С. Васильева и др. // Технология и технические средства в АПК. Улан-Удэ, 2016. Вып. 12. С. 3-7.
3. Дубровский В.С. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. Рига, 1988. 204 с.
4. Евтеев В.К., Васильев Ф.А. Возможность перемешивания субстрата потоком газа в анаэробных установках // Вестник Иркутской государственной сельскохозяйственной академии. 2010. № 38. С. 58-65.
5. Седиментационный анализ суспензий и эмульсий / В.В. Елесина и др. Бийск, 2014. 44 с.
6. Ильин С.Н. Ресурсосберегающая технология переработки свиного навоза с получением биогаза: авто-реф. дис. канд. техн. наук. Улан-Удэ, 2005. 23 с.
7. Ильин С.Н. Ресурсосберегающая технология переработки свиного навоза с получением биогаза: дис. канд. техн. наук. Иркутск, 2005. 171 с.
8. Биогаз: проблемы и решения. Биотехнология / С.В. Калюжный и др. М.: ВИНИТИ, 1988. Т. 21. 180 с.
9. Коныгин С.Б., Иваняков С.В. Процессы седиментации в дисперсных системах. Самара, 2009. 21 с.
10. Курманов А.К. Совершенствование технологии производства биогаза // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2014. № 3. С. 170-177.
11. Методы обработки органосодержащего сырья перед анаэробным сбраживанием / В.В. Пальвинский и др. // Инженерные технологии и системы. 2022. Т. 32. № 1. С. 10-27.
12. Панцхава Е.С. Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз: Теория и практика. М., 2014. 972 с.
13. Дисперсные системы. Седиментационный анализ суспензий / Сваровская Н.А. и др. М., 2014. 46 с.
14. Седиментационный анализ суспензий / Л.В. Кольцов и др. Самара, 2017. 13 с.
15. Семененко И.В. Оборудование и процессы метанового сбраживания органических отходов. Харьков, 2012. 272 с.
16. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Л., 1982. 672 с.
Literatura:
1. Avtomatizaciya tekhnologicheskih processov pri anae-robnom sbrazhivanii / A.V. Abrosimov i dr. // Nauchnye
issledovaniya i razrabotki k vnedreniyu v agropromysh-lennom komplekse. Irkutsk, 2022. S. 333-340.
2. Tekhnologiya anaerobnoj pererabotki navoznyh stokov svinovodcheskogo kompleksa / A.S. Vasil'eva i dr. // Tekhnologiya i tekhnicheskie sredstva v APK. Ulan-Ude, 2016. Vyp. 12. S. 3-7.
3. Dubrovskij V.S. Metanovoe sbrazhivanie sel'skohozy-ajstvennyh othodov. Riga, 1988. 204 s.
4. Evteev V.K., Vasil'ev F.A. Vozmozhnost' peremeshi-vaniya substrata potokom gaza v anaerobnyh ustanovkah // Vestnik Irkutskoj gosudarstvennoj sel'skohozyajstven-noj akademii. 2010. № 38. S. 58-65.
5. Sedimentacionnyj analiz suspenzij i emul'sij / V.V. El-esina i dr. Bijsk, 2014. 44 s.
6. Il'in S.N. Resursosberegayushchaya tekhnologiya pererabotki svinogo navoza s polucheniem biogaza: avtoref. dis. kand. tekhn. nauk. Ulan-Ude, 2005. 23 s.
7. Il'in S.N. Resursosberegayushchaya tekhnologiya pere-rabotki svinogo navoza s polucheniem biogaza: dis. kand. tekhn. nauk. Irkutsk, 2005. 171 s.
8. Biogaz: problemy i resheniya. Biotekhnologiya / S.V. Kalyuzhnyj i dr. M.: VINITI, 1988. T. 21. 180 s.
9. Konygin S.B., Ivanyakov S.V. Processy sedimentacii v dispersnyh sistemah. Samara, 2009. 21 s.
10. Kurmanov A.K. Sovershenstvovanie tekhnologii pro-izvodstva biogaza // Vestnik Vserossijskogo nauchno-is-sledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. 2014. № 3. S. 170-177.
11. Metody obrabotki organosoderzhashchego syr'ya pe-red anaerobnym sbrazhivaniem / V.V. Pal'vinskij i dr. // Inzhenernye tekhnologii i sistemy. 2022. T. 32. № 1. S. 10-27.
12. Panckhava E.S. Bioenergetika. Mir i Rossiya. Biogaz: Teoriya i praktika. M., 2014. 972 s.
13. Dispersnye sistemy. Sedimentacionnyj analiz suspenzij / Svarovskaya N.A. i dr. M., 2014. 46 s.
14. Sedimentacionnyj analiz suspenzij / L.V. Kol'cov i dr. Samara, 2017. 13 s.
15. Semenenko I.V. Oborudovanie i processy metanovo-go sbrazhivaniya organicheskih othodov. Har'kov, 2012. 272 s.
16. Chugaev R.R. Gidravlika. L., 1982. 672 s.
SEDIMENTATION ANALYSIS OF THE SUBSTRATE IN AN ANAEROBIC FILTER A.V. Abrosimov, post-graduat student F.A. Vasiliev, candidate of technical sciences V.K. Evteev, candidate of technical sciences, professor Irkutsk state agrarian university named after A.A. Yezhevsky
Abstract. Currently, there is a problem of by-products' processing on the livestock enterprises. One of the most promising ways of animal waste's processing is anaerobic digestion at anaerobic filters. A significant disadvantage of such installations is their workspace's silting and clogging. This study's aim is a substrate behavior's sedimentation analysis in an anaerobic filter the of cyclic hydrodynamic disturbances for dispersed particles deposition using prevent to justify. The single dispersed particle behavior in the substrate volume is considered. The gravity (Fgr), Archimedes force (Far) and friction force (Ffr) acting on this particle is revealed. It is determined that the particle's deposition rate in the substrate is influenced by such parameters as the particle volume (Vp), its cross-sectional area (S) and the density difference between the particle and the medium (Pp-Pmd). The dependence of the deposited particles' mass on its time at their deposition in the sedimentation curves' form is given. The anaerobic fermentation by -products technology with the of creating cyclic hydrodynamic disturbances possibility to prevent the deposition of dispersed particles by bubbling, changing the pressure and velocity of the substrate in an anaerobic filter has been developed. To determine conducting experimental studies' necessity the optimal parameters of the anaerobic filter affecting the sedimentation process of dispersed particles in the substrate is revealed.
Keywords: anaerobic digestion, methane tank, anaerobic filter, substrate, sedimentation, dispersed particle, hydro-dynamic disturbance.
For citation: Abrosimov A.V., Vasiliev F.A., Evteev V.K. Sedimentation analysis of the substrate in an anaerobic filter // Machinery and technologies in livestock. 2023. No. 1(49). p. 89-94. EDN WKSKZU
Заявленный вклад авторов: А.В. Абросимов - анализ литературы, описание процесса седиментации, описание работы предлагаемой установки, графическое описание работы; Ф.А. Васильев - описание результатов исследования, формирование выводов; В.К. Евтеев - постановка проблемы, разработка концепции статьи, предложение пути совершенствования существующих установок, способствующих решению проблемы. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
