CC BY
43
4. Иванов, С.А. Комплексная оптимизация систем централизованного теплоснабжения с учетом динамических характеристик объектов [Текст] / С.А. Иванов, П.Г. Сафронов, И.В. Горячих // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2009.— N° 3,- С. 53-63.
5. ГОСТ 3618-76. Турбины паровые стационарные для привода электрических генераторов. Типы, основные параметры [Текст]. — М.: Изд-во стандартов, 1976,— 11 с.
6. Патент 86240 Российская Федерация,. МПК F7 01 К 17/00. Способ работы тепловой электрической станции [Текст] / А.Г. Батухтин, С.А. Иванов, Н.В. Горячих, М.С. Басс.
7. Бененсон, E.H. Теплофикационные паровые турбины [Текст] / E.H. Бененсон, J1.C. Иоффе,—
М.: Энергия, 1976,- 264 с.
8. Борисова, В.П. Получение реальных характеристик теплофикационных турбоустановок с отопительными отборами [Текст]: автореф. дис.... канд. техн. наук / В.П. Борисова,— М.: Изд-во МЭИ, 1985,- 16 с.
9. Иванов, С.А. Повышение эффективности выработки дополнительной мощности турбоагрегатами ТЭЦ в отопительный период путем сочетания ограничений отборов пара с передачей части тепловой нагрузки турбины на пиковые источники |Текст]: дис. ... канд. техн. наук / С.А. Иванов; ЛПИ,- Л.-1986,- 212 с.
10. Гиршфельд, В.Я. Режимы работы и эксплуатация ТЭС [Текст] / В.Я. Гиршфельд, A.M. Князев, В.Е. Куликов. — М.: Энергия, 1980. — 288 с.
УДК 577.23:620.95
Л.М. Молодкина, М.Ю. Андрианова, А.Н. Чусов
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО И ФЕРМЕНТАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА БИОДЕСТРУКЦИЮ СРЕДНЕ- И МЕДЛЕННОРАЗЛАГАЕМЫХ ОТХОДОВ
Прогнозы развития энергетики свидетельствуют о неуклонном возрастании доли нетрадиционных возобновляемых источников энергии, в том числе энергии биомассы. Россия ежегодно накапливает органических отходов до 300 млн т в сухом эквиваленте: 250 млн т — в сельскохозяйственном производстве, 50 млн т — в виде бытового мусора. Эти отходы могут быть сырьем для производства биогаза, потенциальный объем которого может составить 90 млрд м^ ежегодно [1].
Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950—70-х годах технически возможный выход биогаза составлял всего 20—30 % от теоретического. Сегодня применение ферментов, искусственной деградации сырья (например, с помощью ультразвуковых или жидкостных ка-витаторов) позволяет увеличить выход биогаза до 95 % [2]. Время и эффективность брожения определяются динамикой анаэробного расщепления (динамическим равновесием между стадиями гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза, активного метаногенеза, протекающими с разной
скоростью [3]) и быстротой расщепления субстрата. Чем сложнее структура субстрата, тем дольше длится расщепление. Например, сахар и крахмал, имеющие простую структуру расщепляются очень быстро, а целлюлоза и гемицеллю-лоза, обладающие широко разветвленной структурой, разлагаются медленно.
Цель нашей работы, выполняемой в рамках исследования каталитической пароуглекислот-ной конверсии метана для разработки реактора получения синтез-газа, — изучение влияния ультразвука и промышленных ферментных препаратов на эффективность биодеградации растительных и бумажных отходов в технологиях получения биогаза.
В качестве объектов исследования были выбраны среднеразлагаемые (листья) и медленно-разлагаемые отходы (газетная бумага), которые характеризуются значениями факторов биоразложения соответственно 0,6—0,72 и 0,22 [4].
Использовали биопрепарат Биотэл (бактериально-ферментная композиция, растительный наполнитель, ароматизатор) для эффективного разложения естественных отходов, жиров, бума-
ги и волокон органического происхождения (производитель Biological Preparation Ltd, Великобритания), а также препаратХамекозим II (компания Hameco Agro, Нидерланды), содержащий протеазу (14 ед/г), амилазу (15 ед/г), бета-глю-каназу (400 ед/г), ксиланазу (400 ед/г), целлю-лазу (600 ед/г).
Деградация растительного сырья (отходов) под ультразвуковым воздействием происходит в первую очередь за счет акустической кавитации. Для получения ожидаемого эффекта необходимы оптимальные значения интенсивности ультразвука и частоты колебаний. С повышением частоты кавитационный пузырек не достигает конечной стадии захлопывания, что снижает микроударное действие кавитации. Чрезмерное понижение частоты приводит к увеличению уровня воздушного шума и требует увеличения габаритов излучателя. Поэтому оптимален диапазон 18—44 кГц. Повышение интенсивности ультразвука сверх определенного предела приводит кувеличению амплитудного значения давления, и кавитационный пузырек вырождается в пульсирующий. При малых значениях интенсивности слабо выражена кавитация и все вторичные эффекты, определяющие эффективность воздействия. Рабочий интервал интенсивности составляет 0,5-10 Вт/см2 [5].
Обработку отходов ультразвуком проводили в аэробных условиях в емкости диаметром 10 см, высотой 7 см, с помощью ультразвукового устройства Ультратон МС-2000 М (диаметр излучателя 7 см, звуковое давление на воздухе на частоте 22 кГц на расстоянии 200 мм от излучателя составляет не менее 90 дБ, акустическая мощность 1,6 Вт). Излучатель погружали в воду, размещая над биомассой плашмя. Периодически проводили перемешивание отходов.
Для проведения анаэробного сбраживания биомассу с водной суспензией добавок и бактериальных затравок загружали во флаконы, после чего собирали системы из трех флаконов, переходников и зажимов, позволяющие производить отбор проб биогаза и фильтрата (рис. 1).
Флаконы с биомассой (7) помещали в термостат электрический суховоздушный ТС-1/80 СПУ, температуру в котором поддерживали на уровне 36,0+0,2 "С. Остальные флаконы (2 и 3) с барьерной жидкостью (5 г лимонной кислоты, 200 г хлорида натрия, 1 лдеионизованнойводы, несколько капель индикатора метилового оран-
Зажимы---- \
Рис. 1. Схема лабораторной установки для моделирования процесса биодеградации растительных и бытовых отходов в анаэробных условиях
жевого до заметной розовой окраски раствора) находились вне термостата. Во флаконах 2 и 3 ежедневно (или реже) определяли уровни барьерной жидкости. Убыль объема барьерной жидкости во флаконе 2 (или прирост во флаконе 3) соответствовал объему выделенного биогаза. Значения, полученные в разных опытах для каждой пары флаконов 2и 3, усредняли и строили графики зависимости объема выделенного биогаза от времени инкубации.
Поскольку до закладки в промышленные биореакторы растительные и бытовые отходы могут некоторое время разлагаться в аэробных условиях, отдельные исследования выполнены для аэробных условий (системы 77 и 12). Системы 6 и 7выдерживали 48 часов в аэробных условиях, затем помещали в анаэробные условия.
Изменение/?//среды в процессе биодеградации отходов контролировали с помощью преобразователя ионометрического И 500.
Ранее нами было показано, что в процессе разложения бытовых отходов происходит изменение интенсивности люминесценции белкового и гуминового типа (максимумы люминесценции белкового типа наблюдаются при длине волны излучения X, равной 300 нм (фе-нольный люминофор), 330—340 (индольный люминофор) и 420—450 нм (люминесценция гуминового типа). Кроме того, нами показана корреляция между интенсивностью люминесценции фенольного люминофора и химическим потреблением кислорода (ХПК) — интег-
ральным показателем содержания органических веществ. Поэтому в работе получали спектры возбуждения и регистрации люминесценции анализируемых проб. Измерения проводили на спектрофлуориметре «Флюорат-02-Панорама» (НПФ ЛЮМЭКС) с коррекцией сигнала [6]. При измерении пробы разбавляли в 8 или 15 раз.
На стадии ацидогенеза и ацетогенеза образуются летучие жирные кислоты (преобразующиеся в уксусную кислоту) и бикарбонат-ион (в результате растворения С02 и диссоциации угольной кислоты). И поскольку нами ранее показана возможность измерения содержания анионов летучих жирных кислот (ЛЖК) методом капиллярного электрофореза по методике, разработанной для анализа неорганических ионов [7], в работе применен этот метод с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель- 103 Р» (НПФ ЛЮМЭКС).
Газетную бумагу и листья нарезали кусочками размером от 0,5x0,5 до 1х 1 см. Навески по 5 или 10 г заливали буферным раствором (350 мл), приготовленным из гидрокарбоната натрия (2 мг-экв/л) на дистиллированной воде; рНдоводили до 7,35—7,5.
В табл. 1 приведено описание систем, которые выдерживали в анаэробных и аэробных условиях.
В термостат загружали одновременно по пять систем, поэтому влияние окружающей среды, в частности атмосферного давления, было одинаковым для систем 7—5и 6—10. На рис. 2 представлены зависимости суммарного объема выделившегося биогаза от времени нахождения систем в анаэробных условиях.
Как видно из рис. 2, только в трех системах из десяти наблюдалось выделение биогаза. Среди первых пяти систем, инкубируемых параллельно, биогаз продуцировался только в третьей системе, которая содержала бактериально-ферментную композицию и растительный наполнитель, т. е. свой легкоразлагаемый субстрат, ферменты и бактерии. По-видимому, в системах 1 и 2 газеты, практически заполнившие весь объем флакона, сыграли роль адсорбента и пространственно разъединили эти компоненты. Предварительная обработка ультразвуком (УЗ) газетной бумаги, являющейся медленноразлагаемым отходом (система 7), не привела к ее деградации, достаточной для метаногенеза. Также недостаточным оказалось действие ферментного препа-
Таблица 1
Характеристики изучаемых систем
N9 системы Субстрат Объем растворителя, мл Фермент (препарат), вес (г) Бактериальная затравка, мл Длительность обработки ультразвуком, Р'Г
1 Газеты, 10 г 350 см3 Биотэл, 0,25 - + 26 4,75
2 Газеты, 10 г 350 Биотэл, 0,25 - - 5,85
3 - 350 Биотэл, 0,25 - - 5,25
4 Газеты, 10 г 350 Хамекозим, 0,25 Затр. фекальн., 0,5 - 5,0
5 - 350 Хамекозим 0,25 Затр. фекальн., 0,5 - 7,05
6* Листья, 5 г 350 - - + 12,5 4,6
7* Листья, 5 г 350 - - - 4,75
8 Газеты,5 г 350 - Осадок бытовых сточных вод, 5 - 6,3
9 Газеты, 5 г 350 Хамекозим, 0,25 Осадок бытовых сточных вод, 5 - 6,75
10 Газеты,5 г 350 Хамекозим, 2,5 Осадок бытовых сточных вод, 5 - 6,85
11 Листья, 10 г 350 - - - 5,5
12 Листья, 10 г 350 - - + 24,5 6,05
Примечание: рН в пробах определяли после биодеградации субстрата
рата Хамекозим 11, содержащего целлюлазу, при дозе 0,25 гна 10 г газетной бумаги. Вто же время существенное закисление среды (см. табл. 1) свидетельствует о начавшемся ацидогенезе.
Для анализа результатов эксперимента привлекали данные, полученные при исследовании проб всех систем методами капиллярного электрофореза (табл. 2) и спектрофлуориметрии (рис. 3).
Результаты анализа содержания в пробах 7— 5 ацетат-иона и суммы анионов летучих жирных кислот (табл. 2) и оценка содержания бикарбонат-иона также подтверждают то, что в системах 7, 2 и 4 с газетной бумагой при выбранных режимах воздействия УЗ и концентрации ферментов метаногенез не развился.
Как видно из рис. 3, а, спектры регистрации флуоресценции систем 7,2 и 4, содержащих равное количество бумаги, примерно одинаковы, несмотря на разное содержание добавок. При этом спектр люминесценции добавок в систему 4 (кривая 5) существенно отличается от спектра добавок в системы 7 и 2 препарата Биотэл (кривая 3). На наш взгляд, полученный результат может подтвердить предположение об адсорбционных свойствах газетной бумаги по отношению к компонентам ферментных препаратов. Это можно было наблюдать также визуально — после
Системы
♦ 3
-к- 4
- А'
-о 9
/ ч
сумм'
Рис. 2. Зависимости суммарного объема выделившегося биогаза от времени нахождения систем в анаэробных условиях
инкубации жидкость в системе 5 была мутной, а в системе 4 почти прозрачной.
Эксперименты с газетной бумагой во второй серии опытов (с системами 6—10) показали, что ни бактериальная затравка из осадка бытовых сточных вод (система 8), ни сочетание этой затравки с небольшой дозой Хамекозима (система 9) не привели к достаточной для развития мета-ногенеза биодеградации газетной бумаги. И только добавка большой дозы ферментного препарата (2,5 г на 5 г газетной бумаги) в присутствии бактериальной затравки (осадка бытовых сточных вод) привело к продукции биогаза (кривая
Таблица 2
Концентрации бикарбонат-ионов, ацетат-ионов, суммы ионов летучих жирных кислот и основных катионов в изучаемых системах
N9 системы Концентрация ионов, мг/л
нсо/ сн,соо Попы ЛЖК МН4 К' М&2' Са 1
1 110 199 308 2,9 4,1 24,3 5,6 12,5
2 110 200 309 0,2 2,8 18,9 3,2 7,1
3 110 199 490 4,2 0,8 17,9 0,0 0,0
4 100 186 650 0,5 3,2 21,3 20,0 160
5 100 176 278 5,0 1,1 20,2 16,5 34,3
6 450 3219 3675 1,3 149 14,8 67 11,8
7 240 1678 2439 14,4 118 16,4 75 141
8 50 0 55 0,0 0,0 17,1 0,0 0,9
9 250 247 567 0,9 1,4 18,0 3,0 10,9
10 800 674 1659 7,5 2,2 18,5 4,0 274
11 400 724 2521 5,4 146 12,0 74 150
12 400 720 2533 1,4 276 16,0 112 196
Примечание: для бикарбонат-ионов данный метод дает только оценочные значения концентраций
Рис. 3. Спектры флуоресценции систем 1—5 (а), систем 9, 10 и фона (5 мл осадка бытовых сточных вод и 2,5 г Хамекозима 11 в 350 мл буферной системы) (б);
длина волны возбуждения 230 нм
о)
Сигнал -б -
200 300 400 500
Д л ина волны регистрации, нм
300 400
Дл има волны регистрации, им
б)
Сигнал -
4 -
— Слегши у
— Система 10
— Буф.сист.+5мл осад. +2,5г хаыекоз.П
10 на рис. 2), что согласуется с данными капиллярного электрофореза (табл. 2) и спектрофлуо-риметрии (рис. 3, б): видно, что различие между кривыми для систем 9 и 10 в области флуоресценции белкового типа (при длинах волн 300 и 350 нм) существенно превосходит добавку "фона".
Полученный эффект от действия больших доз Хамекозима II подтвержден в работе прямым экспериментом по разложению газетной бумаги ферментным препаратом Хамекозим II. Образцы бумаги массой 28—31 мг помещали в пробирки, содержащие по 5 мл раствора Хамекозима II с концентрацией 10 и 40 г/л. Инкубировали двое суток при комнатной температуре и трое суток при температуре 36 °С. В опыте регистрировали потерю массы образцов бумаги за счет их ферментативной деструкции и перехода в растворенное состояние. При концентрации Хамекозима II, равной 10 г/л (1,6 г/г бумаги), потери бумаги составляли 7 мг (из 31 мг), или 22,6 %; при концентрации 40 г/л (6,7 г/г бумаги) — 10 мг (из 30 мг), или 33,3 %. В контрольной пробе (без Хамекозима 11) потери отсутствовали.
При расчете отношения дозы ферментного препарата к объему раствора и к массе разлагаемой газетной бумаги в эксперименте по анаэробному разложению отходов получаем: 0,7 г/л р-ра и 0,05 г/г бумаги — для системы Я 7 г/л р-ра и 5 г/г бумаги — для системы 10. Сравнение этих значений с вышеприведенными результатами
показывает, что количество Хамекозима II, добавленное к системе 10, действительно могло обеспечить разложение существенной доли газетной бумаги.
Ускорение биодеградации среднеразлагае-мых отходов на примере листьев проводили только с помощью ультразвука (обоснованной частоты и акустической мощности) в анаэробных (сравнение систем 6 и 7) и аэробных (сравнение систем 11 и 12) условиях. Как видно из рис. 2, в системе 6, обработанной ультразвуком в течение 12,5 часов, происходит заметное выделение биогаза, а в системе 7 биогаз отсутствует. Следует пояснить, что в пробы специально не вводили бактериальную затравку, поскольку основная часть листьев была собрана осенью с газона, и на них должны были находиться факультативные анаэробы. Зафиксированное различие в протекании процесса анаэробного сбраживания обработанных и необработанных ультразвуком листьев подтверждают результаты анализа проб методом капиллярного электрофореза (табл. 2). Видно, что значения концентраций ацетат-иона, суммы ионов ЛЖК для системы 6 заметно выше, чем для системы 7.
Обработка ультразвуком (24,5 ч) системы 12 и последующая длительная выдержка в аэробных условиях (при комнатной температуре) также привела к отличиям ее от системы 77, которые отчетливо видны на спектрах регистрации люминесценции (рис. 4, а, б) и спектрах возбуждения люминесценции (рис. 4, в).
о)
Сигнал -
200
300
400 500 Д™"а волны
регистрации, им
в)
Сигнал -
200
300
400
Длина водны 500 регистрации, им
О
200 300 400 500
Длина водны регистрации, нм
Рис. 4. Спектры регистрации флуоресценции систем 11 и 12 при длинах волн возбуждения 230 нм (а) и 275 нм (б); спектры возбуждения флуоресценции
при длине волны регистрации 430 нм (в)
Следует отметить, что воздействие ультразвука (в пределах от 1,5 до 9 ч) без дополнительной инкубации систем с листьями в аэробных или анаэробных условиях не сказывается на спектрах люминесценции.
Для системы 12 было показано повышенное (по сравнению с системой 11) содержание катионов кальция, калия и магния (см. табл. 2). Поскольку на 1 г сухой массы высших растений приходится 5—30 мг кальция, а содержание калия составляет 0,2—1,2 % от сухой массы, магния — 0,02—3,1 % [7], то при полном переходе этих элементов (в виде ионов) из 10 г листьев в 350 мл раствора их концентрация должна составлять соответственно 143—857, 57—343 и 6—886. Результаты, полученные методом капиллярного электрофореза (табл. 2), показывают, что существенная доля этих ионов перешла в раствор, причем для системы 12, обработанной ультразвуком, в большей степени, чем для системы 11.
Для систем с листьями, обработанными и не обработанными ультразвуком и выдержанными в аэробных условиях при комнатной температуре, была отмечена разная динамика изменения рН(табл. 3).
Таким образом, в работе показано, что эффективность биодеградации медленноразлагае-
мых отходов (газетная бумага), сопровождающейся эмиссией биогаза, можно заметно повысить определенными дозами ферментного препа-
Таблица 3
Значения рН среды в системах с листьями, не обработанными и обработанными ультразвуком, при инкубации в аэробных условиях
в ><: :г и К Значения рН
Номер эксперимента Время инкубацш аэробных услови для обеих систем Длительность обработки УЗ,1 Листья (без обработки УЗ) Листья + УЗ
1 0 0 7,9 7,9
2,5 2,5 7,65 7,45
21 2,5 6,25 6,10
26,5 8 6,0 6,0
43,5 8 5,8 6,1
48 12,5 5,85 6,15
2 26 9 6,15 6,20
75 9 5,80 6,20
194 11 5,50 6,50
Система / / Система 12
рата Хамекозим 11, содержащего целлюлазу. Ультразвуковое воздействие с оптимальной для выраженной кавитации частотой и интенсивностью не привело к эмиссии биогаза в системах с газетной бумагой; однако оно существенно повысило эффективность биодеградации средне-разлагаемых отходов (листьев), для которых выход биогаза в анаэробных условиях составил
36 л/кг. Одновременно продемонстрирована информативность таких физико-химических методов анализа, как капиллярный электрофорез и спектрофлуориметрия, которые можно использовать при изучении процессов биодеградации растительного сырья и бытовых отходов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 09-08-12041 офи м).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зотов, И.А. Инновационные направления производства сельскохозяйственной техники на альтернативных источниках энергии [Текст]: матер. науч.-техн. конф. / И.А. Зотов; Ассоциация автомобильных инженеров; МГТУ "МАМИ" // Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» [матер, международного научного симпозиума "Автотракторостроение — 2009"|. Кн. 11 — м": Изд-во МГТУ "МАМИ", 2009. - С. 152-154.
2. Schulz, Н. Biogas-praxis [Текст| / Н. Schulz, В. Eder.— Grundlagen — Planung — Anlagenbau — Beispiele — Wirtschaftlichkeit: Verbesserte Auflage 2007. - 238 c.
3. Яковлев, C.B. Водоотведение и очистка сточных вод |Текст| / С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. — М.: АСВ 2002,- 704 с.
4. Вайсман, Я.И. Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов [Текст] / Я.И. Вайсман, О.Я. Вайсман, С.В. Максимова. —
Пермь, 2003,— 232 с.
5. Ультразвуковая технология [Текст] / Под ред. В.А Аграната. — М.: Машиностроение, 1974. — 85 с.
6. Андрианова, М.Ю. Качественный анализ природных, питьевых и сточных вод спектрофлуо-риметрическим методом [Текст] / М.Ю. Андрианова, J1.M. Молодкина, Е.В. Хаустова и др. // Научно-технические ведомости СПбГПУ,— 2005. № 1 (39).- С. 86-90.
7. Андрианова, М.Ю. Возможности капиллярного электрофореза в анализе фильтратов твердых коммунальных отходов [Текст]: материалы науч,-практ. конф. и школы-семинара / М.Ю. Андрианова, Н.Ю. Печеневская, J1.M. Молодкина и др. // Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та,— 2006,— С. 7—14.
8. Полевой, В.В. Физиология и биохимия растений |Текст] / В.В. Полевой,— М.: Высш шк, 1989,- 464 с.
УДК621.31 б
A.B. Бессолицын, O.A. Новоселова, М.Г. Попов
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА ПРОДОЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ НА ОСНОВЕ ТРЕХМЕРНОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ
При анализе установившихся и переходных режимов работы воздушных линий (ВЛ) электроэнергетических систем требуется их точная математическая модель. В общем случае процессы в линиях с распределенными параметрами описываются системой телеграфных уравнений. Для ее формирования необходимо найти первичные параметры воздушной линии электропередачи (ЛЭП): активные и индуктивные со-
ставляющие собственных и взаимных продольных сопротивлений, а также поперечные емкостные проводимости. При эксплуатации достаточно часто возникает задача расчета характеристик электромагнитного влияния воздушных линий электропередач на линии связи, кабели различного назначения, трубопроводы и т. п., что также требует определения взаимных ин-дуктивностей проводов ВЛ и близкорасполо-
