CC BY
0DOI 10.53980/24131997_2024_2_75
Ю.Ц. Бадмаев, канд. техн. наук, е-mail: badmaev57@ bk.ru А.С. Дроздов, студент, е-mail: alexander.97531@mail.ru Д.Г. Дугаров, студент, е-mail: dashi3502@mail.ru М.И. Гильдибрант, студент, е-mail: m4igildibrant@mail.ru Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова, г. Улан-Удэ
УДК 631.3:631.8(571.54)
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ БИОГАЗА
В МЕТАНТЕНКЕ С БИОФИЛЬТРОМ
Основная сущность методики теоретических исследований заключается в построении математической модели процесса накопления активной биомассы (метанообразующие микроорганизмы) на носителях биофильтра, которая характеризует интенсивность образования биогаза в метантенке. При существующих технологиях концентрация активной биомассы выносится из метантенка с выгруженным переработанным сырьем. Поэтому при изучении кинетики микробиологических процессов образования биогаза основное внимание было уделено теоретическому исследованию переработки органической биомассы, зависящей от эффективности применения биофильтра в метантенке. В статье даны технологическая схема и техническая характеристика метантенка с биофильтром. В результатах теоретических исследований представлена полученная нами математическая модель интенсификации процесса образования биогаза в зависимости от накопления активной биомассы метанообразующих микроорганизмов на носителях шарообразного биофильтра и его энергетическая характеристика.
Ключевые слова: теоретические исследования, метантенк, биофильтр, органическое сырье, био-газ, удобрение.
Yu.Ts. Badmaev, Cand. Sc. Engineering, e-mail: badmaev57@bk.ru A.S. Drozdov, student, e-mail: alexander.97531@mail.ru
D.G. Dugarov, student, e-mail: dashi3502@mail.ru M.I. Gildibrant, student, e-mail: m4igildibrant@mail.ru V.R. Filippov Buryat State Agricultural Academy, Ulan-Ude
THEORETICAL STUDIES ON PROCESS OF BIOGAS FORMATION IN METHANE TANK WITH BIOFILTER
The main essence of the theoretical research methodology is based on the construction of a mathematical model of the accumulation of active biomass (methane-forming microorganisms) on biofilter carriers, which characterizes the intensity of biogas formation in a methane tank. With existing technologies, the concentration of active biomass is removed from the methane tank with unloaded processed raw materials. Therefore, when studying the kinetics of microbiological processes of biogas formation, the main attention was paid to the theoretical study of the processing of organic biomass, depending on the effectiveness of the biofilter in the methane tank. The article presents the technological scheme and technical characteristics of a methane tank with a biofilter. The results of theoretical studies present the mathematical model of intensification of the biogas formation process obtained by us, depending on the accumulation of active biomass of methane-forming microorganisms on the carriers of a spherical biofilter and its energy characteristics.
Key words: theoretical research, methane tank, biofilter, organic raw materials, biogas, fertilizer.
Введение
Одним из решений интенсификации процесса переработки органических отходов животноводства является применение биоэнергетических технологий путем разработки и создания нако-
пителей (биофильтров) активной биомассы (энергообразующие микроорганизмы) в камере сбраживания метантенка. При существующих технологиях концентрация активной биомассы выносится из метантенка с выгруженным переработанным сырьем. Поэтому при изучении кинетики микробиологических процессов образования биогаза основное внимание уделяют теоретическому исследованию переработки органической биомассы, которая зависит от эффективности применения биофильтра в метантенке. Отсюда следует, что, несмотря на многолетние исследования и практическое применение анаэробного сбраживания органических отходов животноводства, пока не получено общепризнанное математическое описание образования биогаза в метантенке с биофильтром, которое позволило бы применить при научно-исследовательских работах. В связи с этим наше исследование заключается в разработке математической модели процесса образования биогаза в метантенке с биофильтром, который характеризует интенсивность переработки органических отходов [1, 2].
Целью исследования является разработка математической модели интенсивности образования биогаза в метантенке в зависимости от процесса накопления метанообразующих микроорганизмов на носителях биофильтра.
Материалы и методы исследования
Основным конструктивным элементом для определения методики теоретического исследования процесса образования биогаза в метантенке (рис. 1) является анаэробный биофильтр (3), представляющий собой форму шара жесткой конструкции, структурным элементом которого являются лопасти (4), натянутые капроновой сеткой (6) с ячейкой 50 х 50 мм и диаметром шнура 5,0 мм (ГОСТ 25574-83). Биофильтр вращается вокруг своей оси на валу (7) с помощью выталкивающей силы образующегося биогаза, который собирается в емкости (8), выполненные из полимерного материала. В дно корпуса (1) с утеплителем (2) установлен штуцер (9) для принудительной подачи газа (биогаза) компрессором (10) в рабочую емкость (8) лопастей биофильтра, а также вентиль (11) для слива осадка с активным илом. Труба (12) служит для отвода образующегося биогаза, труба (13) - для подачи исходной массы и ввода активного ила (система рециркуляции), труба (14) - для удаления переработанного навоза, зубья (15) - для разрушения образующейся корки на поверхности перерабатываемого навоза [3].
А-А
б
а
Рисунок 1 - Метантенк с биофильтром: а - технологическая схема; б - вид сверху (сечение А-А); в - общий вид биофильтра сбоку; г - 1/4 часть биофильтра
Таблица 1
Техническая характеристика метантенка с биофильтром
Наименование Ед. изм. Показатель
Метантенк
Тип цилиндрический
Полезная вместимость м3 1,3
Габаритные размеры (диаметр х высота) м 1,3 х 1,2
Биофильтр
Тип шарообразный
Материал носителя лопастей биофильтра капроновый шнур
Площадь поверхности носителя м2 36,0
Габаритные размеры: диаметр м 1,0
Методика теоретического исследования образования биогаза в метантенке и его энергетической характеристики заключалась в построении математической модели процесса накопления метанообразующих микроорганизмов в биофильтре, где основой послужила кинетическая модель Конто, которая применяется к более широкому классу органических отходов. Она описывает интенсивность образования биогаза (Ус, м3/м3сут) в зависимости от технологических параметров процесса анаэробной переработки отходов в метантенке [4, 5]:
Ус = (1--^-), (1)
Тц М Тц — 1 +
где Уб(м3/кг) - максимальное образование биогаза из органического сырья заданного состава; Тц (сут) - время переработки; Б(кг/м3) - исходная концентрация органического вещества в навозе; М (кг/м3 сут) - максимальная скорость роста микроорганизмов в заданном процессе переработки; ks - кинетический параметр (константа полунасыщения).
В метантенке с накопленной активной биомассой на рабочих поверхностях биофильтра интенсивность образования биогаза Усф (м3/м3сут) суммируется из двух составляющих: Ус (м3/м3сут) - интенсивность газообразования в традиционной биогазовой установке и ЛУ (м3/м3сут) - изменение интенсивности газообразования в метантенке с биофильтром, и в результате получено следующее выражение [6, 7]:
Ус ф. = Ус + ЛУ. (2)
Далее изменение интенсивности образования биогаза (ЛУ), т. е. получение дополнительной составляющей образования биогаза с применением биофильтра в метантенке может зависеть от следующих параметров [8, 9]:
ЛУ = /^б, 3, Хбм, L, dS/dтц, м, тц и др.), (3)
где Fб(м2) - общая площадь поверхности носителя лопастей биофильтра; 3(кг/м3) - концентрация органического вещества в перерабатываемом органическом сырье; Хбм(кг/м2) - масса метанообразующих микроорганизмов, накопленных на носителях биофильтра; L (%) - степень разложения органического вещества; dS/dтц - изменение концентрации органического вещества в перерабатываемом сырье за время (тц); м(кг/м3сут) - интенсивность роста микроорганизмов в биофильтре.
Отсюда изменение интенсивности образования биогаза в метантенке с биофильтром находим по следующей формуле:
ЛУ = Хбм х Кб х (м/3), (4)
где Кб(м3/кг) - коэффициент образования биогаза с единицы активной биомассы биофильтра.
Массу накопленных активной биомассы на поверхностях носителя лопастей анаэробного биофильтра определяем по выражению:
Хбм = Fб х 5 х Рб, (5)
где 8 (м/м3) - толщина слоя накопленной биомассы в биофильтре; Рб (кг/м3) - плотность биомассы.
Отсюда общую площадь поверхности носителя лопастей Fб(м2) разработанного нами шарообразного биофильтра определяем следующим образом:
Fб = Fл х Пл = пёш х 1ш х Пл, (6)
где Fл (м2) - общая площадь поверхности носителя (капроновый шнур) лопастей биофильтра; ёш (м) - диаметр капронового шнура; 1ш (м) - общая длина шнура; Пл (шт.) - количество лопастей биофильтра.
После преобразований выражение (2) интенсивности образования биогаза с накопленными метанобразующими микроорганизмами в анаэробном биофильтре примет вид:
VСФ = BS(1___) + [Хбм х Кб х (м/8)]. (7)
Тц — 1 +
Результаты исследований и их обсуждение
В результате проведенного теоретического анализа конструктивных элементов технологического оборудования метантенка с биофильтром была получена математическая модель интенсивности образования биогаза Vcф(м3/м3сут) в метантенке в зависимости от процесса накопления метанообразующих микроорганизмов на носителях шарообразного биофильтра в следующей редакции:
VcФ=Vc + [Хбм х Кб х (м/8 )], (8)
Разработанная математическая модель (8) позволяет получить практическое применение в технологическом процессе переработки органических отходов. Поэтому производительность ме-тантенка при переработке органического сырья зависит от интенсивности образования биогаза Vcф(м3/м3сут) и находится в функциональной зависимости от структурных элементов биофильтра (диаметра, количества лопастей и площади поверхности носителей), с повышением размеров которых увеличиваются процесс накопления метанообразующих микроорганизмов (табл. 2) [10, 11].
Таблица 2
Результаты исследований интенсивности образования биогаза и его энергетической характеристики
в метантенке с биофильтром
Площадь поверхности носителей биофильтра, Fаб, м2 Масса накопленной активной биомассы, Хбм, кг/м2 Интенсивность образования биогаза, У=ф, м3/сут Энергия биогаза Qб, КДж Энергия товарного биогаза Qт, КДж Энергосодержание биофильтра, Qаб, КДж Степень разложения органического вещества, L, (%)
экспериментальное теоретическое
4,01 0,035 0,30 0,29 25 2,01 0 13,5
8,12 0,081 0,41 0,39 90 12,50 2,03 35,0
13.23 0,14 0,73 0,54 125 20,11 4,01 52,2
20,30 0,16 1,53 1,09 150 25,21 6,12 65,1
24,14 0,17 1,79 1,61 235 35,13 11,30 68,4
27,54 0,21 2,65 2,37 315 45,02 12,50 63.0
36,03 0,32 4,78 3,65 297 50,34 17,21 48,3
Полученные результаты теоретического исследования процесса образования биогаза (рис. 2), зависящие от оптимальных значений массы накопленных метанообразующих микроорганизмов на носителях лопастей биофильтра, позволили оптимизировать его технологические параметры, т. е. при оптимальном значении Хбморъ равной 0,17 кг/м2 (рис. 2 а), соответствуют оптимальные значения конструктивных элементов биофильтра: диаметр ^б) 1,0 м, количество лопастей соответственно (пл) 8 шт. и, соответственно, площадь поверхностей носителей Fаб opt, равная 27,2 м2, однако с увеличением которой уменьшается степень разложения (L, %) перерабатываемого сырья (рис. 2 б).
v
*'/(Y1
М
<0
зл
M
о
а б
Рисунок 2 - Характеристика результатов теоретического исследования: а - интенсивности образования биогаза (1 - экспериментальное, 2 - теоретическое, Усф (м3/сут), в зависимости от массы накопленных метанообразующих микроорганизмов (Хбм, кг/м2) в анаэробном биофильтре; б - степень разложения органического вещества - L, %, в зависимости от площади поверхности
носителей биофильтра - Fаб, м2
Для оценки эффективности работы метантенка с биофильтром при проведении теоретических исследований (рис. 3) были получены энергетические характеристики образования биогаза в зависимости от рабочих поверхностей носителей анаэробного биофильтра Fаб (м2): энергия выделившегося биогаза Q6 (КДж), характеризующая количественную сторону, а энергия товарного биогаза Qt (КДж) и энергосодержание биофильтра Qаб (КДж) - качественную сторону технологического процесса переработки органического сырья. Результаты теоретических исследований анаэробной переработки органического сырья позволили установить эффективность применения биофильтра в метантенке при накоплении сообщества метанообразующих микроорганизмов на его рабочих поверхностях, с увеличением которых повышается энергосодержание биофильтра Qаб в 2,0 раза и увеличивается товарная энергия биогаза Qt в 2,2 раза [12, 13].
а б
Рисунок 3 — Энергетическая характеристика Q (кДж) метантенка при переработке органических отходов в зависимости от площади поверхностей носителей биофильтра Fаб (м2)
Заключение
В результате проведенных теоретических исследований получены математическая модель интенсивности образования биогаза Vсф в метантенке с биофильтром и результаты оптимальных значений накопления активной биомассы Хбм^ на его рабочих поверхностях при переработке органического сырья равной 0,17 кг/м2, при повышении которых снижается степень разложения органического сырья, что существенно важно при проведении практических исследований. Также получены теоретические результаты производительности биофильтра при работе в метантенке, который находится в функциональной зависимости от его конструктивных элементов (диаметра, количества лопастей и площади поверхности носителей), с увеличением размеров которых повышается процесс накопления метаногенной микрофлоры и интенсивность образования биогаза, а степень разложения органической биомассы снижается.
Проведенные теоретические исследования интенсивности образования биогаза в метан-тенке с биофильтром и его энергетические характеристики позволили установить эффективность дальнейшего практического исследования данной технологии при анаэробной переработке органического сырья [14, 15].
Библиография
1. Осмонов О.М., Ковалев Д.А. Методика определения констант кинетики при анаэробной конверсии органических отходов // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2015. - Т. 18, № 10. - С. 212-215.
2. Бадмаев Ю.Ц., Шагдыров И.Б. Теоретические исследования биогаза-биотоплива для автономных сельскохозяйственных энергопотребителей // Агротуризм в России: материалы междунар. науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА, 2014. - С. 17-20.
3. А. с. «SU» 1599319 А1, (51) 5 С 02 F 11/04. Аппарат для анаэробного сбраживания органических отходов животноводства, пищевой промышленности и городских стоков / Бадмаев Ю.Ц., Крюков В.Р., Ковалев А.А. - Заявл. 20.01.1988; опубл. 15.10.1990. - Бюл. № 38. - 5 с.: ил.
4. ДоумчариеваЖ.Е., Нуржигитова Ж.Н., БайжариковаМ. А. и др. Расчет скорости выхода метана технологического процесса метанового сбраживания органического субстрата // Молодой ученый. - 2017. - № 4.1. - С. 39-44.
5. Друзьянова В.П., Сергеев Ю.А. Динамическая и математическая модели процесса анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота // Вестник БГСХА. - 2015. - № 3(40). - С. 32-35.
6. Гвоздев Н.В. Иммобилизованные клетки и ферменты. Интенсификация работы метантенков: автореф. дис. ... канд. техн. наук (05.23.04). - М., 1983. - 20 с. : граф.
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. Друзьянова В.П., Сергеев Ю.А. Общая целевая функция условной продуктивности биоэнергетической установки // Вестник ВСГУТУ. - 2016. - № 2 (59). - С. 30-36.
9. Ковалев А.А. Научные основы построения и расчета технологических линий производства биогаза // Энергетика и электромеханизация сельского хозяйства: науч. тр. - М.: Изд-во ВИЭСХ, 2000. -Т. 87. - 328 с.
10. 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.
11. Друзьянова В.П. Энергосберегающая технология переработки навоза крупного рогатого скота: дис. ... д-ра техн. наук 05.20.01. - Улан-Удэ, 2017. - 357 с.
12. Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Осмонов О.М. Способы повышения выхода товарного биогаза при анаэробной конверсии органических отходов в биоэнергетических установках // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ «Агроинженерия». - 2012. - № 2 (53). - С. 64 - 67.
13. Бадмаев Ю.Ц. Производственная проверка биогазовой установки второго поколения БГУ-2 в условиях Республики Бурятия // Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск: Изд-во СФНЦА РАН, 2019. - С. 263-267.
14. Друзьянова В. П., Петунов С.В., Сергеев Ю.А. Эффективность энергосберегающей биогазовой технологии // Вестник ФГБОУ «БГСХА им. В.Р. Филиппова». - 2018. - № 2 (51). - С. 148-153.
15. Бадмаев Ю.Ц. Методика эксплуатации биогазовой установки в условиях Байкальского региона // Вестник ВСГУТУ. - 2022. - № 4 (87). - С. 55-62.
Bibliography
1. Osmonov O.M., Kovalev D.A. Methodology for determining kinetic constants during anaerobic conversion of organic waste // Bulletin of the Kazan Technological University. - 2015. - Vol. 18, N 10. - P. 212-215.
2. Badmaev Yu.Ts., Shagdyrov I.B. Theoretical studies of biogas-biofuel for autonomous agricultural energy consumers // Agrotourism in Russia: materials of the international. scientific-practical conf. - Ulan-Ude: Publishing House of the Belarusian State Agricultural Academy, 2014. - P. 17-20.
3. Apparatus for anaerobic digestion of organic waste from livestock, food industry and municipal wastewater: author's certificate "SU" 1599319 A1, (51) 5 C 02 F 11/04. / Badmaev Yu.Ts., Kryukov V.R., Kovalev A.A. - N 38, application. 01/20/1988, publ. 10/15/1990. - 5 p.: ill.
4. Doumcharieva Zh.E., Nurzhigitova Zh.N., BayzharikovaM.A. et al. Calculation of the methane yield rate of the technological process of methane fermentation of organic substrate // Young scientist. - 2017. -N 4.1. - P. 39-44.
5. Druzyanova V.P., Sergeev Yu.A. Dynamic and mathematical models of the process of anaerobic digestion of cattle manure // Bulletin of the Belarusian State Agricultural Academy. - 2015. - N 3 (40). - P. 3235.
6. Gvozdev N.V. Immobilized cells and enzymes. - M., Intensification of the operation of digesters / abstract. diss. for the job application uch. degree candidate tech. Sciences (05.23.04). - M., 1983. - 20 p. graph.
7. Nozhevnikova A.N., Melnik R.A., Yagodina T.G. Searches for microbiological ways to intensify the process of methanogenesis on animal waste // Biology of thermophilic microorganisms. - 1986. - P. 244-248.
8. Druzyanova V.P., Sergeev Yu.A. General target function ofthe conditional productivity of a bioenergy plant // ESSUTM Bulletin. - 2016. - N 2 (59). - P. 30-36.
9. Kovalev A.A. Scientific basis for constructing and calculating technological lines for biogas production. // Energy and electromechanization of agriculture: Scientific works. - M.: VIESKh, 2000. - Vol. 87. -328 p.
10. Melnik R.A., Borodin V.I., Puzankov A.G. et al. Increasing the efficiency of anaerobic processing of manure // Mechanization and electrification of agriculture. - 1985. - N 11. - P. 6-8.
11. Druzyanova V.P. Energy-saving technology for processing cattle manure [Text]: dis. ... Dr. Tech. Sciences 05.20.01. - Ulan-Ude, 2017. - 357 p.
12. Kovalev A.A., Kovalev D.A., Osmonov O.M. Methods for increasing the yield of marketable biogas during anaerobic conversion of organic waste in bioenergy plants // Bulletin of the Federal State Educational Institution of Higher Professional Education MGAU "Agroengineering". - 2012. - N 2 (53). - P. 64-67.
13. Badmaev Yu.Ts. Production testing of the second generation biogas plant BGU-2 in the conditions ofthe Republic of Buryatia // Materials of the international. scientific-practical conf. - Novosibirsk: SFSC RAS, 2019. - P. 263-267.
14. Druzianova V.P., Petunov S.V., Sergeev Yu.A. Efficiency of energy-saving biogas technology // Bulletin of the Federal State Budgetary Educational Institution "BSA named after. V.R. Filippov". - 2018. - N 2 (51). - P. 148-153.
15. Badmaev Yu.Ts. Methodology for operating a biogas plant in the conditions of the Baikal region // ESSUTM Bulletin. - 2022. - N 4 (87). - P. 55-62.
