Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

При анаеробній переробці рідкого свинячого гною з метою отримання біогазу і іншої побічної продукції, вироблюваної в сільсь­кому господарстві, застосовують різноманітні по технологічних рі­шеннях і конструкції ферментатори (метантенки і анаеробні реактори) [264, 265, 266]. Основним процесом, що відбувається в даних фермен­таторах, є реакційний процес анаеробної деструкції органічної речо­вини співтовариством специфічних мікроорганізмів. Швидкість цього процесу визначається законами хімічної і біохімічної кінетики, зокре­ма залежністю Моно, що визначає швидкість бактерійного росту за­лежно від концентрації субстрату [265].

де S, — питома швидкість росту мікроорганізмів, год.’1;

Smax — максимальна швидкість росту мікроорганізмів, год.’1;

Qc — концентрація субстрату, мг/л;

KQ — константа напівнасичення, рівна концентрації субстрату.

Концентрація субстрату, у свою чергу, визначається масообмін — ними процесами, що визначають швидкість перенесення компонентів субстрату і продуктів метаболізму з однієї фази в іншу через або по­близу поверхні розділу. Масообмінні процеси тісно пов’язані з гідро­динамічними і тепловими процесами в області масопереносу. Для створення необхідних умов протікання гідродинамічних і теплових процесів необхідна підготовка субстрату до зброджування, зокрема
зміна розмірів і щільності зважених частинок, здійснювана за рахунок механічних процесів, що описуються законами механіки [266, 276].

Таким чином, для ферментаторів анаеробного зброджування ха­рактерні всі відомі процеси, які можуть протікати тільки під дією де­якої сили, званою рушійною силою, визначуваною різниця концент­рацій, тиску, швидкостей, температур, зовнішніх і внутрішніх сило­вих полів. Загалом, вигляді рівняння будь-якого процесу може бути представлено як [267]:

R = k-x-A-T, (6.12)

де R — результат процесу;

k — коефіцієнт пропорційності, що характеризує швидкість процесу; х — деяка величина, до якої відносять інтенсивність процесу;

А — рушійна сила; т — час процесу.

Інтенсивність процесу завжди пропорційна рушійній силі А і обернено пропорційна опору г. Тоді рівняння процесу може бути ви­ражено у формі:

Таким чином, для кожного конкретного процесу необхідно вста­новити відповідну йому рушійну силу, що забезпечує необхідний ма — соперенос.

З метою інтенсифікації біодеградації органічної речовини, що міститься в тваринницьких стоках, пропонується використовувати анаеробні метаногенеруючі установки з фіксованими (іммобілізова­ними) на твердому носієві мікроорганізмами. Фіксація біомаси дозво­ляє досягти високій концентрації мікроорганізмів при проточному режимі роботи установки, а, отже, управляти режимом очищення тва­ринницьких стічних вод. Одним з основних аспектів потенційних мо­жливостей іммобілізації мікроорганізмів є усунення обмежень, пов’я­заних з масопереносом. В цьому випадку характерні розміри біомаси, прикріпленої на носієві, можуть бути наперед визначені і підтримува­
тися постійними шляхом створення певних гідродинамічних умов [268].

Механізм прикріплення мікроорганізмів до твердої поверхні, ві­дповідно до сучасної точки зору, може бути представлений як хімічна модифікація поверхні носія на мікрорівні. При контакті поверхні тве­рдого носія і субстрату, розчиненні, що містить, органічні речовини і вільноплаваючі бактерії, відбуваються процеси, які можна розглядати як стадії утворення біоплівки [265, 269] (рис. 6.9):

‘г масоперенос і адсорбація молекул субстрату до поверхні носія (аблете- рація), створюючи суцільний шар і що змінює первинні властивості твердої по­верхні;

‘г — транспорт (перенесення) мікробних кліток до поверхні носія, залежний від режиму руху субстрату а, отже, конвективної дифузії;

‘г — прикріплення мікроорганізмів на поверхні носія за рахунок утворення матриці позаклітинними полімерами, бактеріями, що виділяються;

‘г утворення і зростання (продукція) біоплівки, включаючи безпосереднє мікробне зростання і скріпляє бактерій;

‘г — часткове віднесення біоплівки назад в потік рідини в результаті про­цесів, що протікають безпосередньо в товщі біоплівки, а також за рахунок сил тертя, викликаних рухом субстрату, тобто гідродинамічних умов.

Отже, перед пуском анаеробного реактора його слідує заповнити субстратом, що містить окрім розчину органічних речовин, складний симбіоз мікроорганізмів, який складає за деякими оцінками до тисячі видів [266, 270]. Причому цей симбіоз повинен бути адаптований до

субстрату, підмету переробці. На наш погляд такими властивостями володіє розчин, приготований з свіжого калу великої рогатої худоби вологістю 98.. .99 %.

У міру збільшення товщини біоплівки щільність біомаси у твер­дої підкладки поступово зменшується із-за насичення газовими про­дуктами розкладання органічної речовини (біогазом). Зменшення щільності біоплівки супроводжується зниженням міцності зчеплення між окремими мікроорганізмами усередині біоплівки, що приведе, у разі перевищення напруги від сили гідродинамічної дії, межі міцності, до відторгнення окремих фрагментів біоплівки від твердого носія. Та­ким чином, рушійними силами при утворенні мікробної плівки на твердому носієві є концентрація органічних речовин і мікроорганіз­мів, швидкість руху і сили тертя. Як випливає з мікробіологічних ос­нов анаеробної конверсії органічної речовини [266], мікробіологічна активність мікроорганізмів визначається концентрацією субстрату. При низькій концентрації знижується швидкість росту мікроорганіз­мів; при надмірно високої — відбувається також гальмування (інгибі — рування) метаболічної активності.

Відоме також негативний вплив на швидкість росту і метаболіч­ну активність мікроорганізмів продуктів розкладання. Отже, концент­рація органічного речовини і продуктів розкладання в субстраті є ви­значаючим чинником швидкості утворення біогазу і рушійною силою реакційного процесу. Для отримання високої швидкості розкладання органічної речовини і отримання оптимальних параметрів виробницт­ва біогазу необхідно управляти концентрацією органічної речовини і продуктів метаболізму в біоплівці. Складна структура біоплівки і по­току субстрату роблять неможливим безпосереднє визначення рушій­них сил процесів що відбуваються в прикордонному шарі і усередині біоплівки, а так само ступені їх впливу. Модель перенесення мас в анаеробному реакторі може бути представлена на основі моделі Лан­дау-Левича [271], з урахуванням особливостей конструкції анаероб­ного реактора. Для полегшення розуміння зміни концентрації, дійс­ний рух субстрату замінимо на плоске (рис. 6.10).

Біоплівка, розташована на твердому носієві, оточена рухомим субстратом. Швидкість субстрату на поверхні біоплівки рівна нулю. Масоперенос усередині біоплівки можливий тільки за рахунок моле­кулярної дифузії, визначуваною тільки різницею концентрацій. Пере­несення маси в цьому випадку може бути описане законом Фіка [272]:

V = D~, (6.14)

dx

де М — кількість перенесеної маси речовини;

D — коефіцієнт дифузії;

dC/dx — градієнт концентрації уздовж осі X

Концентрація субстрату у міру наближення до поверхні біоплів­ки знижується і у міру просування всередину біоплівки зменшується до мінімуму. Концентрація продуктів метаболізму усередині біоплів­ки навпаки підвищується. Це може привести до інгибірованні метабо­лічної активності. Збільшення дотичної напруги на поверхні біоплівки відбувається за рахунок виникаючих сил тертя і може привести до ві­дриву окремих її елементів.

Інтенсифікація масопереносу усередині біоплівки можливо змі­ною концентрації субстрату поза біоплівкою. Масоперенос поза біо — плівкою відбувається за рахунок конвективно!’ дифузії, визначуваною різницею градієнтів швидкості і тиску. Зміна тиску в потоці субстрату дозволить інтенсифікувати виділення бульбашок газу, рух яких до ві­льної поверхні дозволить стимулювати конвективний масоперенос. Інтенсифікація газовиділення може бути підтверджена законом Генрі [273, 274, 275]. Згідно якого кількість газу Wб здатного розчиниться в рідині при постійному коефіцієнті розчинності газу, прямо пропорці — онально абсолютному тиску в рідині.

W6=kP, (6.15)

де k — коефіцієнт розчинності;

Р — абсолютний тиск в рідині.

Таким чином, основними рушійними силами поза біоплівкою в анаеробних реакторах, є сили визначувані різницею тиску і швидко­стей. Інтенсифікація процесу можлива за рахунок оптимізації цих ру­хомих сил.

Комментарии запрещены.