CC BY
69
УДК 631.1.004.18:636.22/28
ОПТИМИЗАЦИЯ КРАТНОСТИ ЗАГРУЗКИ СУБСТРАТА В АНАЭРОБНЫЙ БИОРЕАКТОР
А.А. Ковалев, кандидат технических наук Д.А. Ковалев, кандидат технических наук ФГБНУ Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ E-mail: kovalev da80@mail.ru
Аннотация. Использование методов биологической конверсии органических отходов с получением биогаза и высококачественных органических удобрений при одновременном решении ряда вопросов охраны окружающей среды от загрязнения является актуальной задачей. Целью работы является исследование влияния кратности подачи субстрата в биореактор на эффективность и стабильность непрерывного процесса анаэробной биоконверсии органического вещества. По причине того, что органическое вещество разлагается анаэробными микроорганизмами разных стадий последовательно, а при подаче дозы суточной загрузки 1 раз в сутки скорость выхода биогаза значительно возрастает в момент подачи, для выравнивания скорости выхода биогаза и обеспечения субстратом анаэробных микроорганизмов каждой из стадий необходимо увеличить кратность загрузки при соблюдении следующих условий: минимальные колебания удельного выхода биогаза, стремящиеся к асимптоте «теоретически максимальный удельный выход биогаза»; минимальные колебания уровня рН, находящиеся в пределах 7,8 >рН >6,2 и стремящиеся к 7,0 при нагрузке на биореактор по органическому веществу не более 5,0 г ОВ/(лсут); сумма кратных загрузок анаэробного биореактора не должна отклоняться от установленной дозы суточной загрузки d более чем на 5%; гидравлическое время удержания субстрата в биореакторе должно быть не менее 5 суток. Поддержание оптимальной кратности подачи суточной дозы загрузки субстрата в биореактор позволяет: снизить колебания скорости выхода биогаза в течение суток; повысить устойчивость к перегрузкам по органическому веществу; повысить устойчивость к перегрузкам по аммонийному азоту; улучшить качественный состав биогаза; снизить колебания рН среды в биореакторе.
Ключевые слова: анаэробная обработка, доза суточной загрузки биореактора, оптимизация, биоконверсия органических отходов.
В последние годы внимание общества все более привлекается к решению двух неразрывно связанных проблем - предотвращению истощения природных ресурсов и охране окружающей среды от антропогенного загрязнения. Быстрое расходование запасов природного топлива, ограничение строительства гидро- и атомных электростанций вызвали интерес к применению возобновляемых источников энергии, в том числе огромных масс органических отходов, образующихся в сельском хозяйстве, промышленности, городском коммунальном хозяйстве. В связи с этим использование методов биологической конверсии органических отходов с получением биогаза и высококачественных органических удобрений при одновременном решении ряда вопросов охраны окружающей среды от загрязнения является весьма перспективным [1].
Метантенки могут работать в периодическом, непрерывном и полунепрерывном режимах. При загрузке 1 раз в сутки скорость разложения значительно изменяется в период между загрузками. Х. Димовский показал, что после загрузки выход газа самый высокий и в два раза превышает выход газа перед следующей загрузкой. Исследовался осадок влажностью 91,7%, содержащий 56,6% органического вещества; нагрузка по органическим загрязнениям составляла 3,5 кг/(м3-сут), продолжительность сбраживания 13,3 сут. При непрерывном добавлении осадка скорость разложения органического вещества и выход газа постоянны. Юкельсон И.И. и др., используя теорию непрерывных процессов, сравнили эффективность работы реакционных аппаратов непрерывного и периодического действия по приросту продукта реакции (выходу биогаза) при сбражива-
нии осадков городских сточных вод. Определение порядка уравнения реакции разложения органической части осадка в периодическом процессе показало, что он меняется в течение всего периода сбраживания. В начальный период после загрузки осадка до его распада 20-22% реакция может быть представлена уравнением нулевого порядка; далее она сильно замедляется и протекает по уравнению высших порядков. Подобное изменение порядка реакции указывает на сложность протекающего процесса. Вместе с тем, непрерывная загрузка предварительно подогретого сырого осадка и его хорошее смешение с массой бродящего осадка обеспечивают равномерный тепловой режим сооружения и возможность его работы с повышенными дозами загрузки [2]. При этом большинство существующих биогазовых установок работают с загрузкой 1 раз в сутки.
Главными показателями технологического процесса анаэробной обработки являются продолжительность обработки субстрата в анаэробном биореакторе (гидравлическое время удержания (hydraulic retention time)) -hrt (сут) и обратная ей величина - доза суточной загрузки d =1/hrt (%). Известные рекомендации по определению этих показателей основаны на эмпирических моделях и носят частный характер. Аналитического метода определения этих показателей во взаимосвязи с количеством произведенного биогаза пока нет. Известно, что концентрация микроорганизмов и количество получаемого биогаза резко снижаются при увеличении подачи субстрата в метантенк вследствие удаления из метантенка колоний метанооб-разующих микроорганизмов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению выхода биогаза, особенно при однократной подаче дозы суточной загрузки.
На основании изучения работ по фундаментальным исследованиям процесса мета-ногенеза установлено, что основным требованием к технологическим схемам и конструктивным решениям биогазовых установок должна быть их способность обеспечить сбалансированное развитие метаногенного микробного сообщества.
Микробное сообщество представляет собой систему анаэробных бактерий, осуществляющих последовательную деструкцию органических соединений с образованием метана и углекислоты.
Для эффективной жизнедеятельности этой системы необходимы условия, которые определяются свойствами поступающего субстрата и характеристиками метантенка, в котором она функционирует:
- водородный показатель субстрата, подаваемого на обработку, должен быть в пределах 7,8 >рН >6,2;
- избыточное давление - до 400 мм в. ст. в метантенке;
- температура 35-40°С для мезофильных групп микроорганизмов и 55-57°С для термофильных групп микроорганизмов;
- продолжительность обработки навоза в метантенке должна быть больше времени удвоения метаногенных микроорганизмов: 200-300 часов для мезофильных групп микроорганизмов и 100 часов для термофильных групп микроорганизмов.
Для поддержания влажности сбраживаемого навоза на постоянном заданном уровне необходимо соблюдать условия баланса масс входных и выходных потоков, которые определяются количеством исходного навоза и его влажностью, количеством выделенного биогаза, а также массой твердой фракции сброженного навоза и его влажностью. Минимальная влажность сбраживаемой массы в анаэробном биореакторе должна быть более 90%, что обусловлено, прежде всего, ограничениями по функционированию технических средств для загрузки исходного и выгрузки сброженного навоза, а также перемешивающих устройств.
Для сбраживания жидкого навоза с целью улучшения условий прохождения стадии гидролиза целесообразно применять предварительный нагрев субстрата, за счет чего осуществляется подготовка субстрата к сбраживанию и исключается возможность отрицательного воздействия холодного субстрата на жизнедеятельность метанообразующих бактерий, поскольку температура поступающего субстрата устанавливается равной
температуре субстрата в анаэробном биореакторе. В практике анаэробной обработки навоза обычно применяют два режима мета-ногенеза: мезофильный при 35-40°С и термофильный при 50-55°С. В этих пределах находятся температурные оптимумы развития большинства представителей основных групп мезофильных и термофильных анаэробных бактерий, участвующих в разложении сложных органических веществ с образованием метана [3,4,5]. Согласно исследованиям [6], биореактор, работающий при дробной загрузке, был более устойчив к перегрузкам по аммонийному азоту и органическому веществу, качественный состав биогаза также улучшается в сторону увеличения содержания метана в биогазе, кроме того, микробное сообщество биореактора было более разнообразным.
Следовательно, кратность загрузки анаэробного биореактора будет оптимальной при следующих условиях:
- минимальные колебания удельного выхода биогаза, стремящиеся к асимптоте «теоретически максимальный удельный выход биогаза»;
- минимальные колебания уровня рН, находящиеся в пределах 7,8 >рН >6,2 и стремящиеся к 7,0 при нагрузке на биореактор по органическому веществу не более 5,0 кг ОВ/(м •сут);
- сумма кратных загрузок анаэробного биореактора не должна отклоняться от установленной дозы суточной загрузки ё более чем на 5%;
- Ън должно быть не менее 5 суток.
Теоретически максимальный выход биогаза составляет 0,5 м при разложении 1 кг ХПК и зависит от вида перерабатываемого сырья и степени его разложения. Максимальный выход биогаза и степень разложения перерабатываемого сырья определяются экспериментально при запуске биореактора.
Таким образом, кратность загрузки будет равна:
и
(1)
■ — — 1 = ¿1'
При этом показатель кислотности субстрата в анаэробном биореакторе будет зависеть от соотношения скоростей конверсии органического вещества субстрата микроорганизмами метано- и ацетогенной и кислото-генной стадий:
р Н = в-7, 0 , (2)
где - коэффициент, учитывающий влияние скоростей конверсии органического вещества субстрата микроорганизмами метано- и ацетогенной и кислотогенной стадий на уровень рН.
в =
(<Щ ,
\с1т/к
(3)
где - кратность загрузки; - кратная доза суточной загрузки, м3.
где I —) - скорость конверсии органиче-
\йт/ м
ского вещества субстрата микроорганизмами метано- и ацетогенной стадий, кг/м3-сут;
I — ) - скорость конверсии органического
\с1т / ^
вещества субстрата микроорганизмами кис-лотогенной стадии, кг/м3-сут;
При этом продукты конверсии органического вещества субстрата микроорганизмами кислотогенной стадии являются субстратом для микроорганизмов метано- и ацетогенной стадий, то есть концентрация органического вещества субстрата для микроорганизмов метано- и ацетогенной стадий зависит от скорости конверсии органического вещества субстрата микроорганизмами кислотогенной стадии:
= (4)
Как известно, концентрация органического вещества в загружаемом в анаэробный биореактор субстрате равна:
5 = й* кгt . (5)
Таким образом, изменяя кратность загрузки, возможно регулировать уровнень рН в необходимом для консорциума анаэробных микроорганизмов диапазоне.
По причине того, что органическое вещество разлагается анаэробными микроорганизмами разных стадий последовательно, а при подаче дозы суточной загрузки 1 раз в сутки скорость выхода биогаза значительно возрастает в момент подачи, для выравнивания скорости выхода биогаза и обеспечения
субстратом анаэробных микроорганизмов каждой из стадий необходимо увеличить кратность загрузки при соблюдении условий, описанных выше. Для обеспечения описанного режима подачи субстрата в биореактор необходимо создание интеллектуализирован-ной системы загрузки, которая будет определять кратную суточную дозу загрузки по показаниям датчиков, непрерывно регистрирующих скорость выхода биогаза и водородный показатель в биореакторе. Блок-схема интеллектуализированной системы загрузки биореактора представлена на рисунке.
Логиче- Испол-
ское нитель-
устрой- ный ме-
ство ханизм
Водородный показатель в биореакторе
Скорость выхода биогаза из биореактора
Рис. 1. Блок-схема интеллектуализированной системы загрузки биореактора
Выводы. Поддержание оптимальной кратности подачи суточной дозы загрузки субстрата в биореактор позволяет: выровнять скорость выхода биогаза в течение суток; повысить устойчивость к перегрузкам по органическому веществу; повысить устойчи-
вость к перегрузкам по аммонийному азоту; улучшить качественный состав биогаза; снизить колебания рН среды в биореакторе.
Литература:
1. Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов / Кожевникова А.Н. и др. М., 2016. 320 с.
2. Гюнтер Л.И. Метантенки. М.: Стройиздат, 1991.
3. Ковалев А.А., Кожевникова А.Н. Результаты исследований очистки навозных стоков в анаэробных биофильтрах // Сб. тр. ВНИИМЖ. Подольск, 1997. Т. 6.
4. Ковалев А.А. Энергетические аспекты использования биомассы на животноводческих фермах России // Российский химический журнал. 1997. Т. 41. С. 100.
5. Ковалев А.А., Калюжный С.В., Ножевникова А.Н. Анаэробный биофильтр. М., 1997.
6. Repeated pulse feeding induces functional stability in anaerobio digestión // Microb Biotechnol. 2013. № 6(4).
Literatura:
1. Biotekhnologiya i mikrobiologiya anaehrobnoj perera-botki organicheskih kommunal'nyh othodov / Nozhevni-kova A.N. i dr. M., 2016. 320 s.
2. Gyunter L.I. Metantenki. M.: Strojizdat, 1991.
3. Kovalev A.A., Nozhevnikova A.N. Rezul'taty issledo-vanij ochistki navoznyh stokov v anaehrobnyh biofil'trah // Sb. tr. VNIIMZH. Podol'sk, 1997. T. 6.
4. Kovalev A.A. EHnergeticheskie aspekty ispol'zova-niya biomassy na zhivotnovodcheskih fermah Rossii // Rossijskij himicheskij zhurnal. 1997. T. 41. S. 100.
5. Kovalev A.A., Kalyuzhnyj S.V., Nozhevnikova A.N. Anaehrobnyj biofil'tr. M., 1997.
6. Repeated pulse feeding induces functional stability in anaerobic digestión // Microb Biotechnol. 2013. № 6(4).
OPTIMIZATION OF THE SUBSTRATE LOADING IN ANAEROBIC BIOREACTOR'S MULTIPLICITY A.A. Kovalev, candidate of technical sciences D.A. Kovalev, candidate of technical sciences FGBNY Federal research agroengineering center VIM
Abstract. The organic waste biological conversion methods using with biogas and high-quality organic fertilizers obtaining at simultaneous solving a number of environmental protection from pollution issues is an urgent task. The aim of the work is multiplicity of substrate delivering in the bioreactor effects on organic matter anaerobic byconversion's continuous process efficiency and stability studying. Due to the fact that the organic matter is decomposed by anaerobic microorganisms of different stages sequentially, and at 1 time per day a daily dose loading, the biogas speed output increases significantly at the time of supply, to equalize the biogas output rate and of anaerobic microorganisms with substrate supplying at each stage, it is necessary the loading multiplicity under the following conditions' increasing: biogas specific yield minimum fluctuations, tending to the asymptote " theoretically maximum specific yield of biogas»; pH level minimum fluctuations are within 7,8 >pH >6,2 and tending till 7,0 at a load on the bioreactor on organic matter not more than 5,0g OV/(l*day); the anaerobic bioreactor's multiple loads' sum it shouldn't deviate from the established daily loading dose d more than in 5%; hydraulic time of substrate in the bioreactor's retention it shouldn't be lesser than 5 days. The optimal multiplicity of the substrate loading in the bioreactor's daily dose supply maintenance allows: biogas fluctuations output rate during the day to reduce; overload resistance to organic matters to increase; ammonia nitrogen to overload resistance to promote; the biogas qualitative composition to improve; and pH fluctuations in the bioreactor to reduce.
Keywords: anaerobic treatment, daily loading dose of bioreactor, optimization, organic waste's bioconversion.
