Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Головною частиною біогазової установки є реактор для збро­джування біомаси, тип якого та визначає їх принципову відмінність. За цим принципом нами складена класифікація біогазових установок, призначених для анаеробного зброджування біомаси різного вигляду та складу, рис. 6.8.

Рисунок 6.8 — Класифікація біогазових установок

Різні конструктивні та технологічні рішення відносяться голо­вним чином до так званих реакторів першого покоління традіционих метантенків. Ці метантенки іноді мають дві або більш секцій, де здій­снюється часткове розділення стадій анаеробного зброджування. [З, 206-211,222, 224, 225, 227].

Конструкції метантенків достатньо різноманітні, відрізняються головним чином гідравлічним режимом (проточні або періодичного наповнення) і способами завантаження (безперервний або періодич­ний). При безперервній (проточної) схемі біомаса завантажують без­перервно або через (до 10 разів на добу) певні проміжки часу, вида­ляючи таку ж кількість збродженої маси. При дотриманні всіх умов зброджування така схема дозволяє одержати максимальний вихід біо — газу. При періодичній схемі метантенки (їх звично два) завантажують по черзі.

При цьому свіжу біомасу змішують із залишками збродженого біомаси. Газ починає утворюватися після закінчення 5… 10 діб і при досягненні максимальної кількості поступово знижується до мініму­му. Потім зброджений біомаса вивантажують і метантенки знову за­вантажують свіжою біомасою.

Одним з варіантів традиційного метантенка можна рахувати ана­еробні біомаса сховища. [223, 226]. При цьому передбачається засто­сування синтетичних покриттів для збору біогазу, підтримка темпера­тури і pH, обережне перемішування, рециркуляція біомаси, що знахо­диться в ньому. Перевагами анаеробних біомаса сховищ є простота їх споруди, низька чутливість до високого змісту зважених речовин. Не­доліки — потреба у великих площах, великі втрати тепла в зимовий час. [228, 229].

Аналіз конструктивних рішень біогазових установок показав, що більшість з них має одноступінчатий реактор проточного типу з по­вним перемішуванням. їх загальне число складає 68 % від всіх типів реакторів, що знаходяться в експлуатації. Разом з цим досвід експлуа­тації вітчизняних і зарубіжних установок для анаеробного зброджу­вання біомаси показує, що при використовуванні одноступінчатих ре­акторів мають місце «проскакування» необробленого біомаси, що знижує їх ефективність при виробництві біогазу [230].

Проточні метантенки вважаються найприйнятнішими для отри­мання біогазу з рідкого біомаси або напіврідкого вогкістю 91…96 %. Проте, для анаеробної обробки гнойових стоків, надмірного активно­го мула, фугату і опадів очисних споруд такі реактори неефективні. Річ у тому, що вказані відходи містять незначну кількість органічних речовин (менш 2 %), з яких утворюється активна анаеробна біомаса, і що в метантенках відбувається постійне її витіснення. Тому для обро­бки таких стоків застосовуються конструкції реакторів, що викорис — товують принцип утримання біомаси, [230]. У таких реакторах ство­рюють плаваючі або фіксовані насадки, виробляють рециркуляцію бі­омаси, або роблять реактор таким, що складається з декількох секцій. Реактори з такими пристроями звичайно відносять до групи реакторів під назвою біофільтри. У практиці зброджування нізкоконцентрова — них відходів найбільше поширення набули біофільтри з прикріпленою біомасою. [230-234].

У біофільтрі гнойові стоки обтікають поверхня завантажуваль­ного матеріалу, покритого біологічною плівкою, утворюваною мікро­організмами. Ці мікроорганізми при контакті з гнойовими стоками розкладають органічні речовини, що знаходяться в них, з утворенням біогазу. Біофільтр з висхідним потоком, запропонований в 1967 р. Ян­гом і Маккарті, є першим анаеробним реактором з прикріпленою біо­масою. У цій споруді стічна вода подається через донну розподільну систему, проходить через шар завантажувального матеріалу і відво­диться з верхньої частини реактора. У сучасних анаеробних біофільт­рах як завантаження застосовують площинні пластмасові вироби, а також, такі об’ємні матеріали, як гравій, щебінь, шлак і ін. [235-239].

Біомаса в анаеробних біофільтрах утримується, в основному, у вигляді флокул і гранул, розташованих в пустках завантажувального матеріалу, а також у вигляді біоплівки, прикріпленої до його поверх­ні.

Досвід застосування подібних пристроїв для отримання біогазу в системах очищення гнойових стоків (фугаїу) незначний, а наявні ві­домості в науково-технічній літературі не дозволяють створити ефек­тивні установки. [240, 241].

У літературі є також відомості про використовування анаероб­них контактних реакторів для зброджування біомасових стоків. [242, 240].

Контактний реактор складається з безперервно завантажуваного резервуару з перемішуванням і зовнішнього пристрою для відділення біомаси, як правило, відстійника. Бактерії, що знаходяться в контакт­ному реакторі у вигляді флокул (пластівців мула), підтримуються в
зваженому стані за рахунок перемішування. Суміш мула розділяється у відстійнику, утримана біомаса повертається в реактор, де знов змі­шується (контактує) з субстратом, який надходить. В результаті від­бувається інтенсивне анаеробне розкладання органічних речовин з отриманням біогазу. Для зброджування підстилкового і напіврідкого біомаси вогкістю менше 90 % найбільше поширення набули установ­ки з рециркуляцією рідкої фракції збродженої біомаси після його роз­ділення. Принципова відмінність у тому, що в реактори повертається рідка фракція для підтримки в них потрібного гідравлічного режиму. Саме ця обставина і забезпечує можливість обробки висококонцент — рованого біомаси, до якого відноситься як підстилковий, так і напів­рідкий біомаса. [243].

Розглянуті вище технічні і технологічні рішення біогазових установок забезпечують виробництво біогазу при зброджуванні біо­маси з різними фізико-механічними властивостями. Проте ефектив­ність багато в чому залежить від конструктивних параметрів і техно­логічного регламенту їх роботи. В зв’язку з цим розглянемо методи визначення цих характеристик.

Питанням дослідження і встановлення закономірностей для роз­рахунку параметрів біогазових установок присвячена значна кількість наукових робіт російських і зарубіжних учених [233, 234, 236].

Проте, закономірності процесу метанового зброджування, що враховують всю складність взаємостосунків між групами і видами ба­ктерій, а також різноманітність складу субстратів, надзвичайно скла­дні і багато в чому не вивчені [244]. У практиці досліджень і проекту­вання установок анаеробного зброджування в даний час користуються емпіричними моделями процесів, заснованими на рівняннях мікро­бної кінетики і теорії хемостата [245, 246].

Одна з найвідоміших — модель Моно — відображає залежності пи­томої швидкості росту мікроорганізмів і постійної напіврозпаду орга­ніки від ряду умов протікання процесу ферментації:

де у =dx/dt — коефіцієнт трансформації субстрату в біомасу; dx/dL — швидкість росту мікроорганізмів, доба-1,

X — концентрація мікроорганізмів, кг/м3,

L — концентрація субстрату, кг/м,

dL/dt — швидкість зміни концентрації субстрату, доба-1,

Ртах — максимальна питома швидкість росту мікроорганізмів, доба-1,

KL — константа напівнасичення концентрації субстрату, при якій швид­кість процесу складає 1/2 від максимальної,

Kd — константа розпаду біомаси.

Нм[6]/м3,

Недоліком моделі Моно є неможливість опису процесу за часом і те, що вона має обмежений круг застосування для різних видів суб­стратів. Іншою спробою математично описати процес метанового бродіння є модель, розроблена Муянгом [246]

де Р — питомий вихід біогазу,

L — кількість початкових органічних речовин, кг,

Кт — час повного обміну субстрате, доба,

a, Р — коефіцієнти, залежні від природи вуглеводної фракції, субстратів і кількості органічного азоту у відходах,

рК і pH — константи, залежні від температури, доба-1.

’ Нм3/м3,

У цій моделі дається спроба проаналізувати вплив складу органічної речовини початкового субстрату на інтенсивність процесу зброджування, виділені такі параметри, як склад вуглеводневої фрак­ції субстрату і кількість органічного азоту. З існуючих кінетичних мо­делей модель Канто може бути застосована до ширшого класу почат­кових субстратів [247, 248]. Вона описується з деякими допущеннями об’ємної швидкості виходу біогазу залежно від найважливіших пара­метрів процесу анаеробної ферментації

з

S — початкова концентрація органічної речовини в субстраті, кг/м ;

Т — час експозиції, доба,

ц — максимальна питома швидкість росту мікроорганізмів у заданому про­цесі ферментації, доба-1;

К — кінетичний параметр.

Кінетичний параметр виражає залежність виходу біогазу від концентрації органічної речовини в субстраті в інтервалі температур від ЗО до 60 °С. При S=30… 100 г/л, К=1,5.. .2,0; при S=100… 150 г/л, К=2… 11,0. Максимальна питома швидкість росту мікроорганізмів (ц) описується лінійною функцією в діапазоні температур від ЗО до 60 °С. Хасімото в своїх дослідженнях вивів емпіричну формулу залежності кінетичного параметра К від температури процесу і часу витримки при толерантному (Т=45 °С) і термофільному (Т=60 °С) режимах [275]

К = [-0,947-0,5140+0,0112(Т)+0,0004(Т2)].

Розрахунок максимального виходу біогазу він запропонував по формулі

де Т — температура процессу, К,

К — кінетичний параметр,

Bq — граничний вихід біогазу з одиниці органічної речовини заданого складу при нескінченному часі експозиції, м3/кг;

So — початкова концентрація органічної речовини в субстраті, кг/м ;

Мп — швидкість росту мікроорганізмів у заданому процесі ферментації, до­ба-1;

Залежність величини кінетичного параметра від концентрації органічної речовини в початковому субстраті

К = 0,5 + 0,03exp (0,058).

Бактерійний баланс в зброджуваному субстраті

— = px-Dx, (6.5)

dt

де х — концентрація бактерій, кг/м3;

D — швидкість відмирання, доба1; ц — швидкість росту, доба1 .

Хилл в своїй роботі доповнив модель Канто, ввівши в неї коефі­цієнт К, що враховує загибель мікроорганізмів в процесі зброджуван­ня

де 0 — час витримки субстрату в метантенку, 0 =V/VS.

Темп навантаження метантенка по органіки визначили як VS/V, де VS — темп отримання летючих твердих речовин з ферми, залежний від числа тварин і раціону їх годування;

V — об’єм метантенка.

У приведених формулах фігурує параметр S — концентрація ор­ганічної речовини в початковому субстраті і приводяться значення емпіричних коефіцієнтів моделі, що відображають окремі випадки по­за залежністю виходу біогазу від складу органічної речовини.

Інженерні моделі для визначення продуктивності біогазу найчас­тіше є емпіричними і регресійними залежностями, які одержані для певного біомаси за певних умов.

Тому при використовуванні цих залежностей потрібно провести експерименти з метою визначення емпіричних коефіцієнтів [249]. У роботі [250, 251] представлені експериментально виявлені за­лежності інтенсивності газовиділення від дози добового завантаження метантенка в діапазоні вогкості 86…98 %. Ефективність біогазової установки визначається критерієм ступеня розпаду сухої органічної речовини, оскільки від нього залежить відношення C/N в зброджено — му гної, отже, і його властивості добрива. Для визначення цього па­раметра запропонована формула

де d — доза добового завантаження метантенка, %;

Рб — густина біогазу, кг/м3;

Рн — густина навозу, кг/м3;

З з

Vc — питомий вихід біогазу, м /м сут;

W — вогкість біомаси, %;

Ас — зольность біомаси, %.

З рівняння (6.7) видно, що шуканий параметр є функцією інтен­сивності газовиділення, а вона, у свою чергу, залежить від дози добо­вого завантаження метантенка. Враховуючи, що вихід біогазу визна­чити без попередніх експериментів неможливо, те визначення ступеня розпаду сухої органічної речовини скрутне. Для визначення об’єму метантенка У0 застосовують формулу

У0 = тДоб’То, (6.8)

Рн’Л

де иідоб — добовий вихід біомаси з ферми, т; т0 — цикл зброджування, доба; г|=0,95 — коефіцієнт використовування метантенка; рн — густина біомаси, т/м3.

Проте ця формула не враховує величини об’єму виходу біогазу, а також ступінь розпаду сухої органічної речовини. Вона дозволяє ви­значати об’єм метантенка тільки по заданому часу витримки біомаси в метантенку. У формулі, описаній в джерелі [252], встановлений зв’я­зок між дозою добового завантаження метантенка, об’ємом метантен­ка і виходом біогазу

Vm mc • L • (100 — W) • (100 — Ас) • (1 + Р)

ioo3-Pp-vc

де иідоб — добовий вихід біомаси з ферми або доза добового завантаження, кг;

L — ступінь розпаду сухої органічної речовини, %;

W — вогкість біомаси, %;

А — зольность біомаси, %;

Р — коефіцієнт об’ємного розширення біомаси, рр — густина біогазу, кг/м3;

З з

Vc — питомий вихід біогазу з одиниці об’єму метантенка, м /(м — доба).

У цій формулі присутній ступінь розпаду сухої органічної речо­вини L, який є функцією дози добового завантаження. Найпоширені­шим розрахунковим параметром, а також критерієм оцінки інтенсив­ності роботи анаеробних реакторів є питоме навантаження на одини­цю об’єму реактора по органічній речовині.

Її величина визначається такими чинниками, як концентрація мі­кроорганізмів в реакторі, інтенсивність масообміну, метаболічна ак­тивність мікроорганізмів. Остання, у свою чергу, залежить від темпе­ратури в реакторі, складу і концентрації гнойових стоків, їх pH і луж­ності, зміст біогенних і токсичних речовин.

Стосовно установок для анаеробного зброджування біомаси зви­чайно застосовують показник — доза добового завантаження, яке зна­ходиться в прямій функціональній залежності від питомого наванта­ження на одиницю об’єму реактора. Доза добового завантаження є ви­значальним параметром, що впливає на ефективність роботи біогазо — вої установки, від якої залежить питомий вихід біогазу з одиниці об’­єму зброджуваного біомаси, ступінь розпаду органічної речовини в початковому гної і ступінь знезараження. У свою чергу цей параметр робить вплив на вихід товарного біогазу і об’їм метантенка. Тому де­які дослідники дають просто рекомендації по її величинах, які знахо­дяться в широких межах і складають від 1 до 20 % від об’єму мета — нтенка або 1… 10 кг сухої органічної речовини на 1 м біомаси в добу [З, 252].

Одним з основних призначень біогазових установок є отримання біологічного газу, утилізація якого повинна забезпечити отримання додаткової енергії. Не дивлячись на те, що більшість фахівців вважає метаногенез перспективним і прогресивним методом переробки від­ходів тваринництва, супротивники цього методу виказують побою­вання відносно негативного енергетичного балансу установок. В цьо­му випадку, як критерій ефективності біогазової установки, може бу­ти прийняте умова отримання товарного біогазу або коефіцієнт витра­ти енергії на власні потреби установки. [250]. В зв’язку з цим була ви­конана велика кількість робіт, присвячених вивченню теплофізичних властивостей біомаси, методам його нагріву при підготовці до збро­джування, визначенню тепловтрат в процесі зброджування, а також розрахункам енергетичного балансу біогазових установок [250]. На підставі виконаних досліджень було одержане рівняння теплового ба­лансу біогазової установки, загальний вид якого можна представити як

Qsar — Qi + Q2+ Q3+ Q4+ Qs+ Qe 5 кКап (6.10)

Де Q3ar — загальна добова кількість тепла, необхідне для здійснен­ня процесу, кКал;

Qi — кількість тепла, необхідне для попереднього нагріву добової дози початкового біомаси до температури вибраного режиму, кКал,

Q2, Q3, Q4, Q5, Qe, — відповідно втрати тепла в добу: у трубопро­воді, сполучаючим установку для нагріву з проміжною місткістю; у проміжній місткості; у трубопроводі, що сполучає проміжну ємність з камерою для зброджування; через стінки камери зброджування; з біо — газом, що виділяється, кКал.

Складові цього рівняння визначаються по відомих законах теп­лотехніки або експериментально для кожної конкретної установки [253, 254-263].

За наслідками визначення загальних витрат тепла і енергії і порі­вняння їх з енергією одержуваного біогазу робиться висновок про ефективність біогазової установки. Проте такий висновок можна зро­бити лише після того, як установка запроектована або побудована, оскільки основні залежності для розрахунку параметрів зброджуван­ня, рівняння (6.7), (6.8) і (6.9) не знаходяться в якій або функціональ­ного зв’язку з її теплотехнічними характеристиками рівняння (6.10).

З вище представлених емпіричних моделей виходить, що вони надзвичайно складні і розроблені стосовно певного виду субстрату. Використовування їх для розрахунків кінетичних параметрів процесу обробки біомаси і гнойових стоків надзвичайно скрутне і вимагає практично наново проведення досліджень за визначенням рівнянь мі­кробної кінетики. Стосовно розрахунку кінетичних параметрів оброб­
ки біомаси і гнойових стоків, таких даних поки немає. Тому практич­но всі дослідники при розрахунку кінетики процесу обробки біомаси користуються емпіричними залежностями, одержаними в результаті власних експериментів.

Це значно утрудняє розробки установок, здатних забезпечити ефективне виробництво біогазу з біомаси з різними фізико-механічни — ми властивостями.

Комментарии запрещены.