CC BY
142
о
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА ПРИ АНАЭРОБНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
Кущев Леонид Анатольевич, д-р техн. наук, проф. Суслов Денис Юрьевич, канд. техн. наук, доц. Алифанова Алла Ивановна, доц. Белгородский государственный Технологический университет им.
В.Г. Шухова, г. Белгород
E-mail: suslov1687@mail.ru
Аннотация. Работа посвящена теоретическому описанию процесса получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов. О Предложена математическая модель процесса получения биогаза в мезофильном температурном режиме. На основе модели получены выражения для определения максимальной удельной скорости роста микроорганизмов и скорости выхода биогаза.
Ключевые слова: биогаз, анаэробная ферментация, математическая модель, экология.
В настоящее время существует достаточно общая теория биогазовых процессов при анаэробной ферментации органических веществ. Инженерные методы расчета биогазовых установок базируются на эмпирических зависимостях выхода биогаза от конструктивно-технологических параметров. Эти зависимости не учитывают особенности микробиологических процессов, протекающих в биореакторе при анаэробном брожении [1,2].
Одним из основных параметров, характеризующих интенсивность процесса анаэробного брожения, является объемный выход биогаза. Для определения скорости выхода биогаза принимаем уравнение Чена и Хашимото:
V = • (1
т
Ет
K
■г-1 + K
) ,
(1)
Согласно работам [3,4,5], посвященным исследованию процесса получения
258
а
биогаза при анаэробной ферментации органических отходов, влияние температуры на выход биогаз имеет квадратичную зависимость. Так как максимальная удельная скорость роста микроорганизмов (jdm) прямо пропорциональна скорости выхода биогаза, то предложено выражение (2), представляющее зависимость максимальной удельной скорости роста микроорганизмов от температуры.
Mm =Мо +М • Т + ^2 •Т 2, (2)
где Т - температура биомассы в биореакторе, К; m0, m1t m2 -дополнительные температурные коэффициенты, определяемые в результате экспериментальных данных.
Кинетический параметр (К) определим из эмпирического уравнения, предложенного Хашимото и соавт. [6,7]:
K = 0,6 + 0,0206е(0'051'^) . (3) о
Концентрация субстрата зависит от состава навоза и определяется содержанием сухого органического вещества в общем объеме бродильной массы:
X = р(100 - W)(100 - A)10- , (4)
где А - зольность сухого вещества навоза, %; W - влажность биомассы в
л
биореакторе, %; r - плотность биомассы, кг/м .
Биомасса, которая здесь и дальше распространяется как непрерывная жидкая фаза, в сущности, представляет собой суспензию, состоящую из водного раствора ряда химических веществ и взвешенных в нем органических и балластных частиц сухой составляющей навоза. Опытным путем установлено, что эффективное перемешивание субстрата во всем объеме реактора, при котором достигается наибольший выход биогаза, возможно, если объемное содержание твердого (сухого) вещества навоза не превышает 8,8-10% [8]. Дальше будем считать объемное содержание воды, т.е. влажность биомассы равной W=0,9, а объемное содержание твердой составляющей биомассы 1-W=0,1. Тогда плотность бродильной массы р определяется соотношением [9]:
р = W Рв + (1 - W) Ртв, (5)
259
а
1 о
Щ SCIENCE TIME 1
л л
где рв=1000 кг/м - плотность воды, ртв=1400 кг/м - плотность сухого (твердого) вещества навоза.
Согласно формуле (5) плотность биомассы равна /? = 1040кг/ м .
Вязкость биомассы зависит только от объемного содержания сухого вещества и определяется с помощью соотношения [9]:
М = Мв (1 + 2,5(1 - W)),
(6)
где цв = 0,001 Па • с - динамическая вязкость воды.
л
Из формулы (6) следует ^=1,25-10- Пах.
Для определения общего выхода биогаза при работе биореакторной установки необходимо определить общий и рабочий объемы биореактора.
Выбор рабочего объема биореактора зависит от суточного количества органических отходов, которые необходимо переработать и технологических ^ параметров процесса, и определяется по формуле: о
V = V, + V, (7)
Л
где vH - объем навоза в биореакторе, м ; v, - объем воды, необходимый для
Л
достижения требуемой влажности биомассы, м .
Объем навоза, поступающего в биореактор, зависит от гидравлического времени удержания биомассы в биореакторе т (сут) и суточного объема
л
исходного навоза vs (м /сут):
V = т • V (8)
H s
Объем воды, добавляемый в биореактор для достижения оптимальной влажности можно определить по формуле:
V
в
,W - Ws .
мн (-----)
100 - W
(9)
Ws - влажность исходного навоза, %; мн - масса навоза, кг.
Величина влажности исходного навоза, поступающего со свиноводческого комплекса, зависит от способа удаления навоза и меняется в течение года, и
260
поэтому, чаще определяется лабораторным методом. При отсутствии возможности определения, влажность свиного навоза принимается Ws=65% [10].
С целью эффективной и устойчивой работы установки общий объем биореактора уб определяем из выражения (10), учитывая свободный объем, необходимый для сбора и хранения биогаза [2,11].
Уб = 1,4 • v , (10)
Л
Учитывая уравнения (1) и (7), выход биогаза Уобщ (м /сут.) с определенного объема биореактора составляет:
Уобщ = V • V , (11)
Л
При этом удельный выход биогаза Qyd (м /кг) определяется из выражения:
Q Уд = 7 (12)
Продифференцировав уравнение (11) получим:
dV
dr
= V • v.
(13)
Л
где V’- объем биогаза, м .
Предложена математическая модель процесса получения биогаза в мезофильном температурном режиме. На основе этой модели получены выражения для определения максимальной удельной скорости роста микроорганизмов и скорости выхода биогаза. Полученные выражения (11), (12) и (13) позволяют определить суточный и удельный выход биогаза, а также общий объем получаемого биогаза с определенного объема биореактора.
* Работа выполнена в рамках реализации Гранта РФФИ № 14-48-08039. «Разработка физико-химических и технологических основ процесса получения биогаза в биореакторах с барботажным перемешиванием субстрата».
261
Литература:
1. Блинов, В.А. Общая биотехнология: курс лекций. Ч.П. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». Саратов, 2004. - 144 с.
2. Гюнтер, Л.И. Метантенки / Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфраб - М.: Стройиздат, 1991. - 128 с., ил.
3. Эдер, Б. Биогазовые установки, практическое пособие / Б. Эдер, Х. Шульц. 1996. Перевод с немецкого Zorg Biogas в 2008 г.
4. Hashimoto, A.G., 1981. Anaerobic fermentation of beef cattle manure: final report / A.G. Hashimoto, YR. Chen, V.H. Varel. Golden, Colo.: Solar Energy Research Institute; Springfield, Va. : Available from N.T.I.S.
5. Nayono, S.E., Anaerobic digestion of organic solid waste for energy production. Karlsruher Institut fur Technologie (KIT) KIT Scientific Publishing Stra.e am Forum 2 D-76131 Karlsruhe.
6. Chen, Y.R., Hashimoto, A.G., 1978. Kinetics of Methane Fermentation. Biotechnology and Bioengineering Symposium. No. 8, 269 - 282.
I 7. Hashimoto, A.G., 1981. Anaerobic fermentation of beef cattle manure: final report / Q ° A.G. Hashimoto, YR. Chen, VH. Varel. Golden, Colo.: Solar Energy Research | Institute; Springfield, Va. : Available from N.T.I.S.
8. Шаптала В.Г., Шаптала В.В., Суслов Д.Ю. Вопросы моделирования и расчета барботажных реакторов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №5. С. 189-192.
9. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.
10. Кущев Л. А., Суслов Д.Ю. Расчет экономической эффективности использования биогазовой установки с барботажным реактором / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. №5. С.183-186.
11. Биогаз на основе возобновляемого сырья. Сравнительный анализ шестидесяти одной установки по производству биогаза в Германии / Специальное агентство возобновляемых ресурсов (FNR) Хофплатц 1, 18276, Гюльцов, Германия. - 2010. - 115 с.
262
а
